科学家发现光的新特性

一个由物理学家和化学家组成的团队发现了一种以前未知的光与物质相互作用的方式，这一发现可能会导致太阳能发电系统、发光二极管、半导体激光器和其他技术进步的改进。

“硅是地球上第二丰富的元素，它构成了现代电子产品的支柱，”加州大学欧文分校的化学家德米特里·菲什曼博士说。

“然而，作为一种间接半导体，其在光电子学中的应用受到了较差的光学特性的阻碍。”

“虽然硅本身不会以块状形式发光，但多孔和纳米结构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这种现象，但照明的确切起源一直是争论的话题。

“1923 年，亚瑟·康普顿 (Arthur Compton) 发现伽马光子拥有足够的动量，可以与自由电子或束缚电子发生强烈相互作用，”菲什曼博士说。

“这有助于证明光具有波动性和粒子性，这一发现使康普顿获得了 1927 年诺贝尔物理学奖。”

“在我们的实验中，我们表明，限制在纳米级硅晶体中的可见光动量会在半导体中产生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CV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，即电子动量与可见光子动量之间的巨大差异。

尽管遇到了这些挫折，拉曼对液体和气体中非弹性散射的研究揭示了现在被认为是振动拉曼效应的现象，而光谱学——物质光谱研究的一种重要方法——也被称为拉曼散射。

“我们在无序硅中发现光子动量是由于电子拉曼散射的一种形式，”加州大学欧文分校的埃里克·波特玛教授说。

“但与传统的振动拉曼不同，电子拉曼涉及电子的不同初始状态和最终状态，这种现象以前只在金属中观察到。”

为了进行实验，研究人员在实验室中制作了透明度从非晶态到晶体的硅玻璃样品。

他们将 300 nm 厚的硅膜置于紧密聚焦的连续波激光束下，扫描该激光束以写入直线阵列。

在温度不超过 500 摄氏度的区域，该过程会形成均质的交联玻璃。

在温度超过500摄氏度的区域，形成了异质半导体玻璃。

这种轻质泡沫薄膜使科学家能够观察电子、光学和热特性在纳米尺度上的变化。

“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，”菲什曼博士说。

“在无序系统中，电子-光子动量匹配放大了相互作用——这一方面以前仅与经典康普顿散射中的高能伽马光子相关。”

“最终，我们的研究为拓宽传统光学光谱在化学分析中的典型应用之外铺平了道路，例如将传统振动拉曼光谱扩展到结构研究领域——这些信息应该与光子动量密切相关。”

波特马教授说：“毫无疑问，这种新发现的光特性将开启光电子学应用的新领域。”

“这种现象将提高太阳能转换装置和发光材料的效率，包括以前被认为不适合发光的材料。”

ACS Nano杂志上的一篇论文描述了这项研究。