加州大学欧文分校的研究团队发现，材料的光学特性可以通过赋予光新的特性而显著提升，而不是通过改变材料本身。
研究人员展示了通过操控入射光子的动量，能够根本性地改变光与物质的相互作用方式。他们的研究表明，纯硅（作为一种重要的半导体材料）的光学特性可以提升四个数量级。
这一发现有望在太阳能转换和光电子学领域带来革命性变化。这项研究作为《ACS Nano》9月号的封面故事，得到了喀山联邦大学和特拉维夫大学的合作支持。
“在这项研究中，我们质疑了光-物质相互作用完全由材料决定的传统观点，”资深作者、化学副教授德米特里·菲什曼（Dmitry Fishman）表示。“通过赋予光新的特性，我们能够从根本上重塑其与物质的相互作用。”
“因此，现有的或光学上‘被低估’的材料可以展现出我们从未设想过的能力。这就像挥舞魔法棒一样——我们并不需要设计新材料，而是通过改变入射光来提升现有材料的性能。”
“这种光子现象直接源于海森堡不确定性原理，”论文的合著者、化学教授埃里克·波特曼（Eric Potma）指出。“当光被限制在小于几纳米的尺度时，其动量分布会变得更加宽广。动量的增加是如此显著，甚至超过了自由空间光子的千倍，使其与材料中电子的动量相当。”
杰出的化学教授阿拉·阿普卡里安（Ara Apkarian）对此进行了进一步阐述，他表示：“这种现象从根本上改变了光与物质的相互作用方式。传统上，教科书告诉我们光的垂直跃迁，即材料吸收光，光子仅改变电子的能量状态。”
“然而，动量增强的光子能够改变电子的能量和动量状态，开启我们之前未曾考虑的新转变路径。可以说，我们可以‘倾斜教科书’，因为这些光子能够实现对角跃迁，这极大地影响了材料吸收或发射光的能力。”
菲什曼进一步指出：“以硅为例，它是地壳中第二丰富的元素，也是现代电子产品的基础。尽管硅被广泛应用，但其光吸收能力较差，这长期以来限制了其在太阳能电池板等设备中的效率。”
“这是因为硅是一种间接半导体，依赖声子（晶格振动）来实现电子跃迁。硅中光吸收的物理机制是，当光子改变电子的能量状态时，声子也需要同时改变电子的动量状态。”
“由于光子、声子和电子在同一地点和时间相互作用的可能性极低，硅的光学特性本质上较弱。这对光电子技术构成了重大挑战，甚至减缓了太阳能技术的进步。”
波特曼强调：“随着气候变化的影响日益加剧，从化石燃料转向可再生能源比以往任何时候都更加紧迫。太阳能是这一转变的关键，但我们所依赖的商用太阳能电池却存在不足。”
硅的光吸收能力较差，意味着这些电池需要厚厚的一层——几乎200微米的纯晶体材料——才能有效捕捉阳光。这不仅提高了生产成本，还因载流子重组的增加而限制了效率。
薄膜太阳能电池被广泛认为是解决这两个挑战的方案。尽管像直接带隙半导体这样的替代材料已证明薄太阳能电池的效率超过20%，但这些材料通常容易快速降解或生产成本高，因此目前不切实际。”
阿普卡里安补充道：“在硅基薄膜光伏电池前景的指导下，研究人员四十多年来一直在寻找改善硅光吸收的方法，但真正的突破仍然遥不可及。”
菲什曼继续说道：“我们的方法是完全不同的一步。通过动量增强光子实现对角跃迁，我们有效地将纯硅从间接带隙半导体转变为直接带隙半导体，而无需改变材料本身。这导致硅的光吸收能力急剧提高，提升了几个数量级。”
“这意味着我们可以通过同样的因素减少硅层的厚度，为超薄设备和太阳能电池打开大门，这些设备和太阳能电池可以以一小部分的成本超过目前的技术。此外，由于这种现象不需要对材料进行任何改变，因此该方法可以无缝集成到现有的制造技术中，几乎不需要修改。”
阿普卡里安总结道：“我们刚刚开始探索与纳米级及以上的光约束相关的广泛现象。所涉及的物理学具有丰富的基础和应用发现的潜力。然而，直接影响已经显而易见。”
“通过增强光子动量将硅转化为直接带隙半导体，有可能彻底改变能量转换和光电子学。”
这项研究的共同作者包括加州大学欧文分校的初级化学专家Jovany Merham，喀山联邦大学的研究人员Sergey Kharintsev、Aleksey Noskov、Elina营娃，以及特拉维夫大学的研究人员Liat Katrivas和Alexander Kotlyar。
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