加州大学欧文分校领导的研究小组发现了光的新特性

加利福尼亚州欧文市，2024 年 5 月 6 日 – 由加州大学欧文分校化学家领导的一个研究小组发现了一种以前未知的光与物质相互作用的方式，这一发现可能导致改进太阳能系统、发光二极管、半导体激光器和其他技术进步。

在最近发表在 ACS Nano杂志上的一篇论文中，科学家们与俄罗斯喀山联邦大学的同事一起解释了他们如何了解到光子可以获得相当大的动量，类似于固体材料中的电子，当被限制在硅的纳米级空间中时。

“硅是地球上第二丰富的元素，它构成了现代电子学的支柱。然而，作为一种间接半导体，它在光电子学中的应用受到光学性能差的阻碍，“主要作者、加州大学欧文分校化学兼职教授Dmitry Fishman说。

他说，虽然硅不会自然地以体形式发光，但多孔和纳米结构的硅在暴露于可见辐射后可以产生可检测的光。几十年来，科学家们已经意识到了这种现象，但照明的确切起源一直是争论的主题。

1923年，亚瑟·康普顿（Arthur Compton）发现伽马光子具有足够的动量，可以与自由电子或束缚电子强烈相互作用。这有助于证明光同时具有波动和粒子特性，这一发现导致康普顿在1927年获得诺贝尔物理学奖，“菲什曼说。“在我们的实验中，我们发现，限制在纳米级硅晶体上的可见光的动量在半导体中产生了类似的光学相互作用。

要了解这种相互作用的起源，需要再次回到20^世纪初。 1928年，获得1930年诺贝尔物理学奖的印度物理学家C.V.拉曼试图用可见光重复康普顿实验。然而，他遇到了一个巨大的障碍，即电子的动量和可见光子的动量之间存在巨大差异。尽管遭遇了这一挫折，拉曼对液体和气体中非弹性散射的研究导致了现在公认的振动拉曼效应的揭示，光谱学——物质光谱研究的重要方法——被称为拉曼散射。

“我们在无序硅中发现的光子动量是由于一种电子拉曼散射，”合著者、加州大学欧文分校化学教授Eric Potma说。“但与传统的振动拉曼不同，电子拉曼涉及电子的不同初始和最终状态，这种现象以前只在金属中观察到。

在他们的实验中，研究人员在他们的实验室中生产了硅玻璃样品，其透明度从无定形到晶体不等。他们将300纳米厚的硅膜置于紧密聚焦的连续波激光束下，该激光束被扫描以写出一系列直线。在温度不超过 500 摄氏度的区域，该程序导致形成均匀的交联玻璃。在温度超过500°C的区域，形成了异质半导体玻璃。这种“轻质泡沫薄膜”使研究人员能够观察纳米尺度上的电子、光学和热特性如何变化。

“这项工作挑战了我们对光和物质相互作用的理解，强调了光子动量的关键作用，”菲什曼说。“在无序系统中，电子-光子动量匹配放大了相互作用——这是以前只与经典康普顿散射中的高能伽马-光子相关的方面。最终，我们的研究为将传统光学光谱学从化学分析中的典型应用（例如传统的振动拉曼光谱）扩展到结构研究领域铺平了道路，这些信息应该与光子动量密切相关。

Potma补充说：“这种新实现的光特性无疑将为光电子学开辟一个新的应用领域。这种现象将提高太阳能转换设备和发光材料的效率，包括以前被认为不适合发光的材料。

这项研究的合著者包括加州大学欧文分校初级化学专家Jovany Merham，以及喀山联邦大学的研究人员Sergey Kharintsev，Elina Battalova和Aleksey Noskov。该项目得到了Chan Zuckerberg Initiative和喀山联邦大学的财政支持。

加州大学欧文分校的“辉煌未来”活动： 2019 年 10 月 4 日公开启动的“辉煌未来”活动旨在提高人们对大学的认识和支持。通过吸引 75,000 名校友并获得 20 亿美元的慈善投资，加州大学欧文分校寻求在学生成功、健康和保健、研究等方面达到新的卓越高度。物理科学学院在活动的成功中发挥着至关重要的作用。如需了解更多信息，请访问 https://brilliantfuture.uci.edu/uci-school-of-physical-sciences。

关于加州大学欧文分校：加州大学欧文分校成立于1965年，是著名的美国大学协会的成员，并被《美国新闻与世界报道》评为全美十大公立大学之一。该校园培养了五位诺贝尔奖获得者，并以其学术成就、一流的研究、创新和食蚁兽吉祥物而闻名。在校长霍华德·吉尔曼（Howard Gillman）的领导下，加州大学欧文分校拥有36,000多名学生，并提供224个学位课程。它位于世界上最安全、最具经济活力的社区之一，是奥兰治县的第二大雇主，每年为当地经济贡献 70 亿美元，在全州范围内贡献 80 亿美元。有关加州大学欧文分校的更多信息，请访问 www.uci.edu。

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