石墨烯提供了一种将电转化为光的新方法

通过将光的速度降低到比流动的电子还要慢的速度,科学家们已经开发出一种将电转化为光的新方法。

当飞机开始以超过音速的速度飞行时,就会产生一种冲击波,产生众所周知的轰隆声。的声音。现在,麻省理工学院和其他地方的研究人员在石墨烯薄片中发现了一个类似的过程,即在某些情况下,电流的流动速度可以超过慢速衰减的光的速度,并产生一种光学“嘣”声:一束强而聚焦的光。

研究人员说,这种将电能转化为可见辐射的全新方式具有高度可控、快速和高效的特点,并可能带来广泛的新应用。这项研究由两位麻省理工学院教授发表在《自然通讯》杂志上。我是物理学教授,马林·索尔加;以及弗朗西斯·赖特·戴维斯物理学教授约翰·乔安诺普洛斯;还有博士后伊多·卡米纳,以及以色列、克罗地亚和新加坡的其他6人。

这项新发现源于一项有趣的观察。研究人员发现,当光线照射到碳元素的二维形式石墨烯薄片时,其速度会减慢几百倍。他们注意到,这种急剧的放缓呈现出一个有趣的巧合。光子(光的粒子)在石墨烯薄片中运动的减速速度碰巧与电子在同一材料中的运动速度非常接近。

石墨烯具有捕获光的能力,我们称之为表面等离子体激元的模式。该论文的第一作者卡米纳解释道。电浆激元是一种虚拟粒子,它代表表面电子的振荡。这些等离子体激元通过石墨烯的速度比自由空间中的光慢几百倍。他说。

这种效应与石墨烯的另一特殊特性相吻合:电子以极高的速度穿过石墨烯,最高可达每秒100万米,约为真空中光速的300分之一。这意味着这两种粒子的速度非常相似,如果物质能够被调整以使速度匹配,那么这两种粒子之间可能会发生重大的相互作用。

这些属性的结合;使光变慢,使电子运动得非常快;是石墨烯的一种不同寻常的性质,说Solja& # 269;我# 263;。这就暗示了使用石墨烯产生相反效果的可能性:产生光而不是捕获光。我们的理论工作表明,这可能导致一种产生光的新方法。他说。

具体来说,他解释说,这种转换之所以成为可能,是因为石墨烯中的电子速度可以接近光速,打破了光障。他说,就像打破声障会产生声波冲击波一样,在石墨烯的情况下,这会导致在二维空间中捕获光的冲击波的发射。

该团队所利用的现象被称为埃伦科夫效应,80年前由苏联物理学家帕维尔·埃伦科夫首次描述。通常与天文现象和利用相关的检测超速了宇宙粒子的宇宙,并探测粒子在粒子加速器高能碰撞,造成的影响没有考虑相关的技术,因为它只能当物体正在接近光速。但研究人员说,石墨烯薄片内的光变慢提供了在实际形式中利用这种效应的机会。

把电转化为光的方法有很多种。从一个多世纪前托马斯·爱迪生发明的加热钨丝,到荧光灯管,再到为许多显示屏供电的发光二极管(led),这些都被广泛应用于家庭照明。但研究人员说,这种基于等离子体的新方法最终可能成为某些应用中更高效、更紧凑、更快和更可调的替代品的一部分。

也许最重要的是,这是一种有效和可控地产生等离子体激元的方法,其规模与目前的微芯片技术兼容。这种基于石墨烯的系统有可能成为制造新型光基电路的关键芯片组件,而光基电路被认为是计算技术向更小更高效设备发展的主要新方向。

如果你想在一个芯片上处理各种信号处理问题,你需要一个非常快的信号,并且能够在非常小的范围内工作,卡闵说。计算机芯片已经把电子产品的规模缩小到重点是这项技术正在突破一些基本的物理极限,所以你需要进入一个不同的电磁体系,他说。使用光而不是流动的电子作为移动和存储数据的基础,有可能将工作速度提高到比在电子学中使用的速度高6个数量级的水平。卡闵说本;换句话说,原则上要快一百万倍。

他说,试图开发基于光学芯片的研究人员面临的一个问题是,虽然电力可以很容易地限制在电线内,但光往往会扩散。然而,在合适的条件下,在一层石墨烯内部,光束受到了很好的约束。

石墨烯有很多令人兴奋的地方,“因为它可以很容易地与其他电子产品集成在一起。使其作为芯片上光源的潜在用途成为可能。他说,到目前为止,这项工作还只是理论上的,所以下一步将是创建该系统的工作版本,以证明这一概念。我有信心在一到两年内这是可行的,他说。下一步就是优化系统以获得最大的效率。

这一发现是一个真正的创新概念,有可能成为解决长期存在的问题的关键,即在纳米尺度上实现高效和超快的电光信号转换。西班牙马德里自治大学的助理教授Jorge bravoo - abad说,他没有参与这项工作。

此外,布拉沃-阿巴德说,作者在这项工作中发现的埃伦科夫发射的新实例为纳米系统的埃伦科夫效应的研究开辟了全新的前景,而不需要复杂的实验装置。我期待着看到这些发现在物理学和纳米技术之间的界面肯定会产生的重大影响和影响。

这项研究是由美国陆军研究实验室和美国陆军研究办公室通过麻省理工学院士兵纳米技术研究所支持的。这个团队包括麻省理工学院的研究员沈一晨、Ognjen Ilic和Josue Lopez;以色列海法Technion的Yaniv Katan;克罗地亚萨格勒布大学的赫沃耶·布尔扬;新加坡制造技术学院(Singapore Institute of Manufacturing Technology)的黄良杰(Liang Jie Wong)说。

发表:Ido Kaminer,等人,石墨烯热载流子的量子erenkov效应的高效等离子体发射,自然通讯,2016;doi: 10.1038 / ncomms11880

文章中的一个小错误。爱迪生没有完美的钨丝,他用的是碳。每维基百科:

1904年12月13日,匈牙利Sandor Just和克罗地亚的Franjo Hanaman获得了一项匈牙利专利(第34541号),这项专利发明的钨丝灯比碳丝灯的寿命更长、发出的光更亮。1904年,由匈牙利钨丝拉姆公司首次推出钨丝灯。