Ett nytt sätt att förbättra samspelet mellan ljus och materia, utvecklat av forskare vid MIT och Israels Technion, kan en dag leda till effektivare solceller som samlar ett större antal ljusvåglängder, och nya sorters lasrar och ljusemitterande dioder (lysdioder) som kan ha fullt avstämbara färgutsläpp.

Den grundläggande principen bakom det nya tillvägagångssättet är ett sätt att få fart på ljuspartiklar, kallas fotoner, för att närmare matcha elektronernas, som normalt är många storleksordningar större. På grund av den stora skillnaden i fart, dessa partiklar interagerar vanligtvis mycket svagt; att föra deras moment närmare varandra möjliggör mycket större kontroll över deras interaktioner, vilket kan möjliggöra nya typer av grundforskning om dessa processer samt en mängd nya applikationer, säger forskarna.

De nya fynden, baserat på en teoretisk studie, publiceras idag i tidningen Nature Photonics i en uppsats av Yaniv Kurman från Technion (Israel Institute of Technology, i Haifa); MIT -doktorand Nicholas Rivera; MIT postdoc Thomas Christensen; John Joannopoulos, Francis Wright Davis professor i fysik vid MIT; Marin Soljacic, professor i fysik vid MIT; Ido Kaminer, en professor i fysik vid Technion och tidigare MIT postdoc; och Shai Tsesses och Meir Orenstein vid Technion.

Även om kisel är ett oerhört viktigt ämne som grund för den mest moderna elektroniken, den är inte väl lämpad för applikationer som involverar ljus, såsom lysdioder och solceller - även om det för närvarande är det huvudsakliga materialet som används för solceller trots dess låga effektivitet, Säger Kaminer. Att förbättra ljusets interaktioner med ett viktigt elektronikmaterial som kisel kan vara en viktig milstolpe för att integrera fotonik - enheter baserade på manipulation av ljusvågor - med elektroniska halvledarchips.

De flesta som tittar på detta problem har fokuserat på själva kislet, Kaminer säger, men "detta tillvägagångssätt är väldigt annorlunda - vi försöker ändra ljuset istället för att byta kisel." Kurman tillägger att "människor utformar saken i ljus-materia-interaktioner, men de tänker inte på att designa den ljusa sidan. "

Ett sätt att göra det är att sakta ner, eller krymper, ljuset nog för att drastiskt sänka momentumet för sina individuella fotoner, för att få dem närmare elektronernas. I sin teoretiska studie, forskarna visade att ljuset kunde bromsas med en faktor tusen genom att passera det genom ett slags flerskiktigt tunnfilmsmaterial belagt med ett lager grafen. Det skiktade materialet, tillverkad av galliumarsenid- och indiumgalliumarsenidlager, förändrar beteendet hos fotoner som passerar genom det på ett mycket kontrollerbart sätt. Detta gör det möjligt för forskarna att kontrollera frekvensen av utsläpp från materialet med så mycket som 20 till 30 procent, säger Kurman, vem är tidningens huvudförfattare.

Interaktionen mellan en foton och ett par motsatt laddade partiklar - såsom en elektron och dess motsvarande "hål" - producerar en kvasipartikel som kallas plasmon, eller en plasmon-polariton, som är en slags oscillation som äger rum i ett exotiskt material som de tvådimensionella skiktade enheterna som används i denna forskning. Sådana material "stöder elastiska svängningar på dess yta, verkligen tätt begränsad "i materialet, Säger Rivera. Denna process krymper effektivt ljusets våglängder med storleksordningar, han säger, föra ner det "nästan till atomskala".

På grund av den krympningen, ljuset kan sedan absorberas av halvledaren, eller avges av det, han säger. I det grafenbaserade materialet dessa egenskaper kan faktiskt styras direkt genom att helt enkelt variera en spänning som appliceras på grafenskiktet. På det sättet, "vi kan helt styra ljusets egenskaper, inte bara mäta det, Säger Kurman.

Även om arbetet fortfarande befinner sig i ett tidigt och teoretiskt skede, forskarna säger att detta tillvägagångssätt i princip kan leda till nya typer av solceller som kan absorbera ett större antal ljusvåglängder, vilket skulle göra enheterna mer effektiva vid omvandling av solljus till el. Det kan också leda till ljusproducerande enheter, såsom lasrar och lysdioder, som kan ställas in elektroniskt för att producera ett brett spektrum av färger. "Detta har ett mått på avstämbarhet som är bortom vad som för närvarande är tillgängligt, "Säger Kaminer.

"Arbetet är väldigt allmänt, "Kurman säger, så resultaten bör gälla för många fler fall än de specifika som används i denna studie. "Vi kan använda flera andra halvledarmaterial, och några andra ljusmaterialpolaritoner. "Även om detta arbete inte utfördes med kisel, det bör vara möjligt att tillämpa samma principer på kiselbaserade enheter, säger laget. "Genom att stänga momentumgapet, vi kunde introducera kisel i denna värld av plasmonbaserade enheter, Säger Kurman.

Eftersom resultaten är så nya, Rivera säger, det "borde möjliggöra mycket funktionalitet som vi inte ens vet om ännu."