新研究开启了光与物质相互作用的新领域

发射光谱是识别化合物的一种广泛使用的方法。亮线显示出原子可以发出的不同频率的光。在这里，将处于高能态（顶部）的原子的正常发射光谱与位于距掺杂了载流子的石墨烯仅几纳米（十亿分之一米）的同一原子的发射光谱（底部）进行比较。 ）。对于每个能级跃迁，如果估计该跃迁快于每微秒一个跃变，则会显示一条橙色线（或紫色云）-使其足够频繁地被观察到。

麻省理工学院的一项新研究表明，实际上有些“禁止”的光发射是可能的，并且可以启用新的传感器和发光设备。

麻省理工学院的一项新研究可以根据被认为是“禁止”的发光类型开辟新的技术领域，或者至少在几乎不可能达到的水平上发光。研究人员说，这种新方法可能导致光与物质之间的某些类型的相互作用（通常需要数十亿年的时间才能发生），而不是在某些特殊条件下，在十亿分之一秒之内发生。

麻省理工学院的博士生尼古拉斯·里维拉（Nicholas Rivera），物理系教授马林·索拉奇奇（MarinSoljačić），弗朗西斯·赖特·戴维斯（Francis Wright Davis）的物理学教授约翰·乔安诺普洛斯（Johnis Joanopoulos）以及博士后伊多·卡米纳尔（Ido Kaminer）和薄波（Bo Zhen）博士今天在一篇《科学》杂志上发表了基于理论分析的发现。

量子电动力学定律描述的光与物质之间的相互作用是包括激光，LED和原子钟在内的多种技术的基础。但是从理论的角度来看，“电子选择规则“禁止大多数光与物质的相互作用过程，这限制了我们所能获得的能级之间的跃迁次数”，Soljačić解释说。

例如，用于分析材料元素组成的声谱图在大部分为深色背景的情况下显示了几条亮线。亮线表示该元素原子中特定的“允许”能级跃迁，并伴有光子（光粒子）的释放。在占光谱大部分的黑暗区域，“这些能量水平的发射是被禁止的”。

Kaminer说，通过这项新研究，“我们在理论上证明了使用原子薄的2D材料中的局限波可以解除这些约束”。“我们证明，某些通常会随着宇宙时代而发生的转变可能会在十亿分之一秒内发生。因此，一旦将原子放置在二维材料附近，光谱图的许多暗区就会变亮。”

原子中的电子具有离散的能级，当它们从一个能级跳到另一个能级时，它们会发出光子，这一过程称为自发发射。但是原子本身比发出的光的波长小得多，大约是其波长的1 / 1,000至1 / 10,000，大大削弱了两者之间的相互作用。

研究人员在研究中表明，实际上，诀窍是“收缩”光，使其与原子的大小更好地匹配。启用整个相互作用范围（尤其是与吸收或发射光有关的原子态跃迁）的关键是使用一种称为石墨烯的二维材料，其中光可以与等离激元形式的物质相互作用。材料中的电磁振荡。

这些等离激元类似于光子，但波长短数百倍，它们非常狭窄地限制在石墨烯中，从而使与该物质的某些相互作用比普通材料中的相互作用高出许多数量级。研究小组说，这使通常被认为无法实现的各种现象成为可能，例如同时发射多个等离激元或在能级之间进行两步发光转变。

这种方法可以使两个“纠缠”的光子同时发射，这意味着即使分离，它们也具有相同的量子态。纠缠光子的这种生成是量子设备（例如可能用于密码学的设备）中的重要元素。

里维拉说，利用这些禁止的跃迁可以开辟一种以前所未有的方式定制材料的光学特性的能力。“通过改变关于光与物质之间关系的规则”，“它可以为重塑材料的光学特性打开新的大门。”

Kaminer预测，这项工作“将成为下一代有关光-物质相互作用的研究的基础”，并可能导致“在许多依赖光-物质相互作用的领域，包括原子，分子和分子动力学方面的进一步理论和实验进展。光学物理学，光子学，化学，光电子学以及许多其他领域。”

他说，除了其科学意义之外，“这项研究在多个学科中都有可能应用，因为从原理上讲，它有可能使元素周期表在光学应用中得到充分利用。”这可能会导致在光谱学和传感设备，超薄太阳能电池，吸收太阳能的新型材料，效率更高的有机LED以及可能的量子计算设备的光子源方面的应用。

Soljačić说：“从基础科学的角度来看，这项工作为一个子领域打下了基础，几年前很难想象这个子领域，直到现在还没有被广泛探索。”

普林斯顿大学电气工程副教授Jason Fleischer表示：“二维材料将场限制在表面上，将运动限制在平面上，从而使许多数量级太弱而无法显示在体积中的效果成为可能。” ，谁没有参与这项研究。他说，这项工作“系统地探索了二维材料如何改善光与物质的相互作用，为更快的电子跃迁，增强的传感和更好的发射（包括宽带和量子光的紧凑产生）奠定了理论基础。”

这项工作得到了麻省理工学院士兵纳米技术研究所的陆军研究办公室以及美国能源部的部分支持。

出版物：Nicholas Rivera等人，“收缩光以允许原子尺度上的禁止跃迁”，《科学》，2016年7月15日：卷353，第6296期，第263-269页； DOI：10.1126 / science.aaf6308