石墨烯提供了一种将电转化为光的新方法

该图描绘了来自石墨烯片的光发射过程，其表示为载体材料顶面上的蓝色晶格。在中心向上移动的浅色箭头描绘了一个快速移动的电子。由于电子的运动速度比光线本身快，它会产生一个冲击波，在两个方向上喷出等离子体，以红色波浪线显示。

科学家们通过将光速减慢到低于流动电子的速度，开发出一种将电转化为光的新方法。

当飞机开始移动的速度超过声速时，它会产生一个冲击波，产生众所周知的声音“轰隆隆”。现在，麻省理工学院和其他地方的研究人员在一片石墨烯中发现了类似的过程，其中在某些情况下，电流可以超过减速光的速度并产生一种光学“动臂”：强烈的，聚焦的光束。

研究人员说，这种将电力转换为可见光辐射的全新方式是高度可控的，快速且高效的，并且可能导致各种各样的新应用。这项工作在Nature Communications杂志上发表，由两位麻省理工学院教授 - 物理学教授MarinSoljačić撰写，以及弗朗西斯赖特戴维斯物理学教授John Joannopoulos，以及博士后Ido Kaminer，以及以色列，克罗地亚和新加坡的其他六人。

新的发现从一个有趣的观察开始。研究人员发现，当光线撞击一块石墨烯时，它可能会减慢几百倍。他们注意到，这种剧烈的放缓带来了一个有趣的巧合。移动通过石墨烯片的光子（光的粒子）速度的减小碰巧与电子在通过相同材料时的速度非常接近。

“这篇论文的主要作者Kaminer解释说：”石墨烯具有捕捉光线的能力，我们称之为表面等离子体激元。等离子体是一种代表电子在表面上的振荡的虚拟粒子。他说，通过石墨烯的这些等离子体激元的速度“比自由空间的光慢数百倍”。

这种效应与另一种石墨烯的特殊特性吻合：电子以非常高的速度穿过它，高达每秒百万米或在真空中的光速约为1/300。这意味着两种速度足够相似，以至于如果可以调整材料以使速度匹配，那么两种粒子之间可能会发生显着的相互作用。

Soljačić说，这种性质组合 - 减缓光线并允许电子移动速度非常快 - 是“石墨烯不寻常的特性之一”。这表明使用石墨烯产生相反效果的可能性：产生光而不是捕获它。“我们的理论工作表明，这可能会导致产生光线的新方式，”他说。

具体来说，他解释说：“这种转换是可能的，因为电子速度可以接近石墨烯的光速，打破'光栅'。”就像打破音障产生震动的声音一样，他说：“在这种情况下的石墨烯，这会导致发射出一个冲击波，并在两维空间中捕获。“

团队利用的现象被称为Čerenkov效应，这在80年前由苏联物理学家PavelČerenkov首次描述。通常与天文现象相关联，并被用作探测超快宇宙粒子的方式，因为它们在宇宙中冲击，同时也用于检测粒子加速器中高能碰撞产生的粒子，但这种效应并未被认为与Earthbound技术有关，因为它只是当物体接近光速时工作。但研究人员表示，石墨烯片内部光线的减慢提供了以实用形式利用这种效应的机会。

有许多不同的方式可以将电力转换为光 - 从托马斯爱迪生一个多世纪以前完善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），并逐渐受到青睐灯光。但这种新的基于等离子体激元的方法最终可能会成为更高效，更紧凑，更快速，更可调的替代方案的一部分，研究人员说。

也许最重要的是，这是一种有效和可控的等离子体激元产生方式，可以与当前的微芯片技术兼容。这种基于石墨烯的系统可能成为创建新型轻型电路的关键片上组件，这被认为是计算技术向更小型化和更高效设备发展的一个主要新方向。

“如果你想在芯片上做各种信号处理问题，你希望有一个非常快的信号，并且能够在非常小的尺度上工作，”Kaminer说。他说，计算机芯片已经将电子产品的规模缩小到了技术碰到一些基本的物理限制的地步，所以“你需要进入不同的电磁体制。Kaminer说，使用光而不是流动电子作为移动和存储数据的基础有可能推动运行速度“比电子设备中使用的要高六个数量级”，换句话说，原则上高达一百万次更快。

他说，研究人员试图开发光学芯片所面临的一个问题是，虽然电力可以很容易地限制在电线内，但光线往往散开。然而，在一层石墨烯中，在合适的条件下，光束非常密闭。

“对石墨烯有很多兴趣，”Soljačić说，“因为它可以很容易地与其他电子集成在一起，”使它可以用作片上光源。他说，到目前为止，这项工作是理论性的，因此下一步将是创建系统的工作版本来证明这个概念。“我有信心在一到两年内应该可以做到，”他说。下一步就是优化系统以实现最高效率。

这一发现“是一个真正的创新概念，它有可能成为解决在纳米尺度上实现高效，超高速电光信号转换的长期问题的关键，”助理教授Jorge Bravo-Abad说。在西班牙马德里自治大学，他没有参与这项工作。

此外，布拉沃阿巴德说，“这项研究的作者发现的Čerenkov发射的新实例为研究纳米尺度系统中的Čerenkov效应开辟了全新的前景，而不需要复杂的实验设置。我期待着看到这些研究结果在物理学和纳米技术之间的界面上肯定会产生的重大影响和意义。“