一项新发表的研究详细阐述了光照射金属-电介质界面时，一个量子过程如何增加产生电子的数量。研究人员认为利用这个发现可能会制备出更好的太阳能电池或光探测器。

新方法是基于一个意外的发现，量子效应会增加电荷载流子(电子和空位)的数量，在不同波长光子撞击到表面涂有一层特殊高指数电介质的材料时激发载流子。光子产生所谓的表面等离激元-具有与吸收光子相同频率的震荡电子云。

这个令人惊讶的报道发表在本周的《Physical Review Letters》，作者包括麻省理工学院机械工程副教授NicholasFang和博士后Dafei Jin。研究者们使用带有氧化物涂层的银片，该氧化物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：可见光的吸收由电子在金属和介质界面之间的溢出深度控制的，”Fang说。该效应的强弱，他补充说，直接取决于材料的介电常数，用于度量阻碍电流通过和将能量转变为极化的程度。

“在之前的研究中，”Fang说，“这是被忽视的问题。”

之前的实验显示这些材料的电子产量之所以会提高，是因为材料内部的缺陷。但是Fang教授说，这些解释“并不足以回答为什么我们会在如此薄的层上会观察到这样宽频吸收”。但是，他说，研究小组的实验支持了新发现的量子效应，作为强关联的解释。

研究团队发现，通过改变金属表面沉积电介质材料层(如氧化铝、氧化铪和氧化钛)的成分和厚度，他们可以控制从入射光子传递到金属中电子-空穴对的能量，能量的多少用于衡量系统捕获光的效率。此外，该系统可吸收宽范围波长的光或多种颜色的光，他们说。

这种现象应该相对容易地应用于设备中，Fang说，因为涉及的材料在工业规模已广泛应用。“人们正好利用氧化物材料制造更好的晶体管，”他说，现在这些材料可被用来制备更好的太阳能电池和超高速光电探测器。

在提升光利用效率方面，“介电层的加入非常有效”Fang说。同时因为基于这一原则的太阳能电池会非常薄，他补充说，它们将比传统硅电池使用更少的材料。

因为它们的宽带响应，Fang说，这样的系统也对入射光做出更快的反应：与目前光电探测器接收的信号相比，“我们可以接收或检测信号作为更短的脉冲”，他解释说。这甚至可能形成新的“li fi”系统，他建议，利用光来发送和接收高速数据。

未参与这项工作的丹麦技术大学教授N. Asger Mortensen说，这个发现“让我们对量子等离子体的理解具有很深远的启示。麻省理工学院的工作准确地指出了，等离子体如何增强地衰变成近金属表面的电子-空穴对。”

“探索这些量子效应在理论和实验上都是非常具有挑战性的，这个基于量子修正增强吸收的发现代表了一项重要的飞跃，”并没有参与这项工作的杜克大学物理学助理教授Maiken Mikkelsen补充说。“我认为，毫无疑问，利用纳米材料的量子特性必将创造未来的技术突破。”

研究团队还包括博士后Qing Hu、麻省理工学院研究生YingyiYang、加州大学洛杉矶分校Daniel Neuhauser、哈佛大学的David Bell，橡树岭国家实验室的Sachan和桑迪亚国家实验室的Ting Luk。这项工作是由美国国家科学基金会和美国空军科学研究办公室支持。

新材料在线编译整理——翻译：Grubby    校正：摩天轮