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新研究揭开了光物质相互作用的新境界

<p>发射光谱是一种广泛使用的鉴定化合物的方法;明亮的线条揭示了原子可以发射的不同光频率</p><p>在这里,将高能态原子(顶部)的正常发射光谱与放置在几纳米(十亿分之一)的同一原子的发射进行比较</p><p>远离石墨烯的电荷载体掺杂(底部)对于每个能级跃迁,如果估计转变速度超过每微秒一个,则会出现橙色线(或紫色云) - 使其足够频繁麻省理工学院的一项新研究表明,一些“禁止”的光发射实际上是可能的,并且可以实现新的传感器和发光装置麻省理工学院的一项新研究可以根据已有的光发射类型开辟新的技术领域</p><p>被认为是“被禁止的”,或者至少不太可能被认为是无法实现的新研究人员说,新的方法可能导致光与物质之间的某种相互作用,这通常需要十亿多年来发生,在一定的特殊条件下,在十亿分之一秒内发生</p><p>基于理论分析的研究结果今天在麻省理工学院博士生Nicholas Rivera,物理系教授的论文中报道</p><p> MarinSoljačić,Francis Wright Davis物理学教授John Joannopoulos和博士后Ido Kaminer和Bo Zhen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和原子在内的各种技术的基础</p><p>但从理论的角度来看,“大多数光物质相互作用过程都被电子选择规则'禁止',这限制了我们能够获得的能量水平之间的过渡次数,”Soljačić解释例如,光谱图,用于分析材料的元素组成,在大多数深色背景下显示一些亮线</p><p>亮线代表特定的“允许“元素原子中的能级跃迁,伴随着光子的释放(光的粒子)在构成大部分光谱的黑暗区域,这些能级的发射是”被禁止的“ Kaminer说,这项新研究“我们在理论上证明了这些约束可以在原子级薄的二维材料中使用受限波”,我们证明了通常需要宇宙时代发生的一些转变可以被制造出来</p><p>在纳秒内发生因此,一旦原子放置在二维材料附近,光谱图的许多暗区变得明亮“原子中的电子具有离散的能级,当它们从一个层跃到另一个层次时它们给出关闭一个光子的光子,一个叫做自发发射的过程但是原子本身远小于发射光的波长 - 大约1 / 1,000到1 / 10,000大 - 大大削弱了相互作用两者之间的诀窍实际上是“缩小”光线,因此它更好地匹配原子的尺度,正如研究人员在他们的研究中所展示的那样,能够实现一系列相互作用的关键,特别是原子态的转换</p><p>与吸收或发光相关的是使用称为石墨烯的二维材料,其中光可以与等离子体形式的物质相互作用,这是材料中的一种电磁振荡</p><p>这些等离子体类似于光子但具有数百个波长时间较短,在石墨烯中的限制非常狭窄,使得与物质的某些相互作用的可能性比在普通材料中的可能性高出许多数量级</p><p>这使得通常被认为无法实现的各种现象,例如同时发射多个等离子体,或能级之间的两步发光转换,该团队称这种方法可以同时发射两个光子“缠绕”的吨意味着它们即使在分离时也具有相同的量子态这样的纠缠光子是量子器件中的一个重要元素,例如那些可能用于加密的元件</p><p>使用这些禁止的转换可以打开这种能力Rivera说,以一种前所未有的方式定制材料的光学特性 “通过改变这些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”,卡米纳预测这项工作将成为下一代光物质研究的创始人</p><p>相互作用“并可能导致”在许多依赖光物质相互作用的领域取得进一步的理论和实验进展,包括原子,分子和光学物理学,光子学,化学,光电子学和许多其他领域“超出其科学含义,他说,”这项研究有可能应用于多个学科,因为原则上它有可能充分利用周期表用于光学应用“这可能潜在地应用于光谱学和传感设备,超薄太阳能电池,新型材料吸收太阳能,具有更高效率的有机LED,以及可能的量子计算设备的光子源作为基础科学的立场,这项工作奠定了几年前很难想象的子领域的基础,直到现在基本上未被探索,“Soljačić说”二维材料将场限制在一个表面并运动到飞机上,普林斯顿大学电子工程副教授杰森弗莱舍说,他没有参与这项研究,他说,“系统地说,”探讨二维材料如何改善光物质相互作用,为更快的电子跃迁,增强的传感和更好的发射奠定理论基础,包括紧凑的宽带和量子光产生“这项工作得到陆军研究办公室的部分支持麻省理工学院士兵纳米技术研究所和美国能源部出版物:Nicholas Rivera等人,“缩小光线以允许禁止n在原子尺度上的转变,“Science 15 Jul 2016:Vol 353,Issue 6296,pp 263-269; DOI:101126 / scienceaaf6308资料来源:David L Chandler,

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