Een nieuwe manier om de interactie tussen licht en materie te versterken, ontwikkeld door onderzoekers van het MIT en het Israëlische Technion, zou ooit kunnen leiden tot efficiëntere zonnecellen die een breder scala aan lichtgolflengten verzamelen, en nieuwe soorten lasers en light-emitting diodes (LED's) die volledig instelbare kleuremissies zouden kunnen hebben.

Het fundamentele principe achter de nieuwe aanpak is een manier om het momentum van lichtdeeltjes te krijgen, fotonen genoemd, om beter overeen te komen met die van elektronen, wat normaal vele ordes van grootte groter is. Vanwege het enorme verschil in momentum, deze deeltjes interageren gewoonlijk zeer zwak; door hun momenta dichter bij elkaar te brengen, is er veel meer controle over hun interacties, die nieuwe soorten fundamenteel onderzoek naar deze processen mogelijk zou kunnen maken, evenals een groot aantal nieuwe toepassingen, zeggen de onderzoekers.

De nieuwe bevindingen, op basis van een theoretische studie, worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfotonica in een paper van Yaniv Kurman van Technion (het Israel Institute of Technology, in Haïfa); MIT-afgestudeerde student Nicholas Rivera; MIT-postdoc Thomas Christensen; Johannes Joannopoulos, de Francis Wright Davis hoogleraar natuurkunde aan het MIT; Marin Soljacic, hoogleraar natuurkunde aan het MIT; Ido Kaminer, hoogleraar natuurkunde aan Technion en voormalig MIT-postdoc; en Shai Tsesses en Meir Orenstein bij Technion.

Hoewel silicium een ​​enorm belangrijke stof is als basis voor de meeste hedendaagse elektronica, het is niet erg geschikt voor toepassingen waarbij licht, zoals leds en zonnecellen, hoewel het momenteel het belangrijkste materiaal is dat voor zonnecellen wordt gebruikt, ondanks het lage rendement, zegt Kaminer. Het verbeteren van de interacties van licht met een belangrijk elektronisch materiaal zoals silicium zou een belangrijke mijlpaal kunnen zijn in de richting van de integratie van fotonica - apparaten gebaseerd op manipulatie van lichtgolven - met elektronische halfgeleiderchips.

De meeste mensen die naar dit probleem kijken, hebben zich gericht op het silicium zelf, Kaminer zegt, maar "deze benadering is heel anders - we proberen het licht te veranderen in plaats van het silicium te veranderen." Kurman voegt eraan toe dat "mensen de materie ontwerpen in interacties tussen licht en materie, maar ze denken niet na over het ontwerpen van de lichte kant."

Een manier om dat te doen is door te vertragen, of krimpen, het licht genoeg om het momentum van zijn individuele fotonen drastisch te verlagen, om ze dichter bij die van de elektronen te krijgen. In hun theoretische studie de onderzoekers toonden aan dat licht met een factor duizend kan worden afgeremd door het door een soort meerlagig dunnefilmmateriaal te leiden dat is bedekt met een laag grafeen. Het gelaagde materiaal, gemaakt van galliumarsenide en indium galliumarsenide lagen, verandert het gedrag van fotonen die er doorheen gaan op een zeer controleerbare manier. Hierdoor kunnen de onderzoekers de frequentie van emissies van het materiaal met maar liefst 20 tot 30 procent beheersen, zegt Kurman, wie is de hoofdauteur van het artikel.

De interactie van een foton met een paar tegengesteld geladen deeltjes - zoals een elektron en het bijbehorende "gat" - produceert een quasideeltje dat een plasmon wordt genoemd, of een plasmon-polariton, dat is een soort oscillatie die plaatsvindt in een exotisch materiaal zoals de tweedimensionale gelaagde apparaten die in dit onderzoek zijn gebruikt. Dergelijke materialen "ondersteunen elastische oscillaties op het oppervlak, echt strak opgesloten" in het materiaal, zegt Rivera. Dit proces verkleint effectief de golflengten van licht met orden van grootte, hij zegt, het naar beneden brengen "bijna op de atomaire schaal."

Door die krimp, het licht kan dan worden geabsorbeerd door de halfgeleider, of daardoor uitgezonden, hij zegt. In het op grafeen gebaseerde materiaal, deze eigenschappen kunnen eigenlijk direct worden gecontroleerd door simpelweg een spanning op de grafeenlaag te variëren. Op die manier, "we kunnen de eigenschappen van het licht volledig controleren, niet alleen meten, ' zegt Kurman.

Hoewel het werk zich nog in een vroeg en theoretisch stadium bevindt, de onderzoekers zeggen dat deze benadering in principe zou kunnen leiden tot nieuwe soorten zonnecellen die een groter bereik van lichtgolflengten kunnen absorberen, wat de apparaten efficiënter zou maken in het omzetten van zonlicht in elektriciteit. Het kan ook leiden tot lichtproducerende apparaten, zoals lasers en leds, die elektronisch kunnen worden afgestemd om een ​​breed scala aan kleuren te produceren. "Dit heeft een mate van afstembaarheid die verder gaat dan wat momenteel beschikbaar is, ' zegt Kaminer.

"Het werk is heel algemeen, "Kurman zegt, dus de resultaten zouden van toepassing moeten zijn op veel meer gevallen dan de specifieke die in dit onderzoek zijn gebruikt. "We zouden verschillende andere halfgeleidermaterialen kunnen gebruiken, en enkele andere licht-materie polaritons." Hoewel dit werk niet met silicium werd gedaan, het moet mogelijk zijn om dezelfde principes toe te passen op apparaten op basis van silicium, zegt het team. "Door de momentumkloof te dichten, we zouden silicium in deze wereld van op plasma gebaseerde apparaten kunnen introduceren, zegt Kurman.

Omdat de bevindingen zo nieuw zijn, Rivera zegt, het "zou veel functionaliteit moeten mogelijk maken waar we nog geen weet van hebben."