本文与 MIT News合作发表。
麻省理工学院及其他机构的研究人员发现了一种方法，可显著提升从阳光中获取的能量，这一发现可能有助于开发性能更佳的太阳能电池或光探测器。
这一新方法基于一项发现：意想不到的量子效应会增加电荷载流子（即电子和“空穴”）被击出的数量。当不同波长的光子照射到涂有一类特殊氧化物材料（称为高折射率电介质）的金属表面时，会击出这些电子和空穴。光子会产生所谓的表面等离激元，即一团与被吸收光子频率相同的振荡电子云
这一出人意料的发现本周发表于《 Physical Review Letters 》，作者包括麻省理工学院机械工程副教授Nicholas Fang和博士后研究员Dafei Jin。研究人员使用了一片涂有氧化物的银片，该氧化层可将光能转化为界面处原子的极化。
“我们的研究揭示了一个令人惊讶的事实：可见光的吸收直接受电子在金属与电介质界面溢出程度的控制，”Fang说。他补充道，这一效应的强度直接取决于材料的介电常数，即衡量材料阻挡电流通过、并将该能量转化为极化的能力的指标。
“在早期研究中，”Fang说，“这一点一直被忽视了。”
此前有实验显示，此类材料中电子的产生量有所增加，但这些现象被归因于材料缺陷。Fang表示，这些解释“不足以说明，为何我们在如此薄的材料层中观察到如此宽频的吸收”。不过他表示，团队的实验支持将这一新发现的量子效应作为这种强相互作用的解释。
研究团队发现，通过改变沉积在金属表面的介电材料层（如氧化铝、氧化铪和氧化钛）的成分和厚度，他们可以控制有多少入射光子的能量转化为金属中电子-空穴对的生成，这是衡量该系统捕获光能效率的指标。此外，他们表示，该系统还能吸收多种波长（即颜色）的光。
Fang表示，由于相关材料已在工业规模上被广泛使用，这一现象应当相对容易地用于实用器件。“这些氧化物材料正是人们用于制造更优晶体管的那类材料，”他说；如今它们或可用于制造性能更佳的太阳能电池和超快光电探测器。
Fang表示，“添加电介质层在提升光能捕获效率方面出人意料地有效”。他补充道，基于这一原理的太阳能电池会非常薄，因此所用材料比传统硅电池更少。
Fang表示，由于这类系统具有宽频响应特性，它们对入射光的响应速度也快得多：“我们可以将信号作为更短的脉冲接收或探测”，他解释道，这比当前光电探测器所能捕捉的速度更快。他认为，这甚至可能催生新的“光保真”（Li-fi）系统，即利用光来收发高速数据。
未参与该项工作的丹麦技术大学教授N. Asger Mortensen表示，这一发现“对我们理解量子等离激元学具有深远意义。麻省理工学院的工作确实精准地揭示了……等离激元如何在金属表面附近被增强地衰减为电子-空穴对。”
“在理论和实验上探测这些量子效应都极具挑战性，基于量子修正的增强吸收这一发现代表了一次重要的飞跃，”Maiken Mikkelsen补充道。该物理学助理教授任职于
杜克大学，同样未参与该项工作。“我认为，毫无疑问，利用纳米材料的量子特性必将催生未来的技术突破。”
该团队还包括麻省理工学院的博士后研究员Qing Hu和研究生Yingyi Yang，加州大学洛杉矶分校的Daniel Neuhauser，哈佛大学的Felix von Cube和David Bell，橡树岭国家实验室的Ritesh Sachan，以及桑迪亚国家实验室的Ting Luk。该研究获得美国国家科学基金会和美国空军科学研究办公室的支持。
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作者：David L. Chandler，任职于麻省理工学院新闻办公室。
图片：太阳上一个活跃区域释放出中等强度的太阳耀斑。REUTERS/NASA/SDO/Handout via Reuters.
