麻省理工学院和以色列理工学院的研究人员使用石墨烯设计了一种增强光与物质相互作用的新方法，这项工作有朝一日可以产生更有效的太阳能电池，可以收集更广泛的光波长，以及新型的激光器和发光二极管（LED）可以具有完全可调的颜色发射。

新方法背后的基本原理是使光粒子（光子）的动量更接近地匹配电子的动量，这通常要大得多。这种巨大的动量差异通常会导致这些粒子相互作用很弱; 研究人员表示，将他们的动力联系在一起可以更好地控制他们的相互作用，这可以实现对这些过程的新型基础研究以及一系列新的应用。

研究人员解释说，虽然硅是当今大多数电子产品的重要物质，但它并不适合涉及光的应用，如LED和太阳能电池 - 尽管它目前是太阳能的主要材料。细胞尽管效率低。改善光与诸如硅之类的重要电子材料的相互作用可以是将基于光波操纵的光子器件与电子半导体芯片集成的重要步骤。

大多数研究这个问题的人都把注意力集中在芯片上，但“这种方法非常不同 - 我们试图改变光线，而不是改变芯片。” 该团队补充说，“人们在光物质相互作用中设计物质，但他们不考虑设计轻质物质。”

一种方法是通过减慢或缩小光线足以大幅降低其单个光子的动量，使它们更接近电子的光子。在他们的理论研究中，研究人员表明，通过一种覆盖着一层石墨烯的多层薄膜材料，光可以减慢一千倍。由砷化镓和砷化镓层构成的分层材料以高度可控的方式改变光子穿过它的行为。研究报告的主要作者，Technion的Yaniv Kurman表示，这使研究人员能够将材料的排放频率控制在20％至30％之间。

光子与一对带相反电荷的粒子（如电子及其相应的“空穴”）的相互作用产生称为等离子体的准粒子，或等离子体激元，这是一种在异国情调的材料中发生的振荡例如本研究中使用的二维分层设备。该团队表示，这种材料“在其表面支持弹性振荡，非常紧密地限制在材料内”。这个过程有效地将光的波长缩小了几个数量级，使其“几乎达到原子尺度”。

由于这种收缩，光可以被半导体吸收，或者由半导体发射。在石墨烯基材料中，实际上可以通过简单地改变施加到石墨烯层的电压来直接控制这些性质。以这种方式，“我们可以完全控制光的属性，而不仅仅是测量它，”库尔曼说。

虽然这项工作仍处于早期和理论阶段，但研究人员表示，原则上这种方法可以使新型太阳能电池能够吸收更广泛的光波长，从而使设备更有效地将太阳光转换为电能。 。它还可以导致产生光的装置，例如激光和LED，它们可以通过电子方式调谐以产生多种颜色。卡米纳说：“这具有超出目前可用范围的可调节性。”

“这项工作非常普遍，”库尔曼说，所以结果应该适用于比本研究中使用的具体案例更多的案例。“我们可以使用其他几种半导体材料，以及其他一些光物质极化子。” 该团队表示，虽然这项工作不是用硅完成的，但应该可以将相同的原理应用于硅基器件。库曼说：“通过缩小势头差距，我们可以将基于等离子体的设备引入硅世界”。