新发布的研究展示了一种通过让电子与晶体晶格结构碰撞来产生声子极化子的新的方法。这一发现为更便宜、更小的长波红外光源和更高效的设备冷却铺平了道路。
想象一下一个世界，在这个世界里，无论你使用手机多久，它都保持凉爽，并且它还配备了可以以无与伦比的灵敏度和精确度识别危险化学物质或污染物的微型传感器。新发布的研究在《自然》杂志上展示了一种生成长波红外和太赫兹波的新方法，这是创建有助于实现这些技术进步的材料的重要一步。这项工作由CUNY研究生中心（CUNY ASRC）的研究人员领导，为更便宜、更小的长波红外光源和更高效的设备冷却铺平了道路。
声子极化子是一种独特的电磁波，当光与材料的晶体晶格结构中的振动相互作用时就会发生。这些声子极化子波展现出几个独特的特性。例如，它们可以将长波长红外光的能量集中到极小的体积，甚至达到几十纳米，同时能够有效地将热量从源头转移。这使得声子极化子非常适合于高科技应用，如亚波长成像、分子传感器和电子设备内的热管理。然而，关于声子极化子波的研究主要集中在实验室设置中的基础研究，实际的设备应用仍然大多未被探索。
“一个主要挑战是，激发和探测声子极化子波既昂贵又低效，通常需要昂贵的中红外或太赫兹激光器和近场扫描探针，”CUNY ASRC光子学计划的教授、CUNY研究生中心物理学项目的教授及对应作者郭秋实表示。“我们想探讨是否可以仅通过电流来发射声子极化子，类似于半导体激光器或LED的工作方式。”郭说。
在这项研究中，郭的团队与耶鲁大学、加州理工学院、堪萨斯州立大学和苏黎世联邦理工学院的研究人员合作，发现关键在于选择合适的材料组合：一层薄薄的石墨烯夹在两块六方氮化硼（hBN）之间。
首先，在hBN中，声子极化子具有显著更高的态密度，并且可以在体内传播，表现得像在材料边界之间来回反弹的深亚波长光线。这些特殊的声子极化子被称为双曲声子极化子（HPhPs）。
石墨烯以其在室温下的高电子迁移率而闻名。当被hBN夹层封装时，由于表面钝化和杂质减少，其迁移率进一步提高。“这意味着当电流通过被hBN夹层封装的石墨烯时，石墨烯中的电子可以被加速到非常高的速度，并有效地与hBN中的HPhPs散射，”郭解释道。
这一想法在实验中取得了成功。值得注意的是，当对石墨烯施加仅为1 V/µm的适度电场时，团队观察到了HPhPs的发射，突显了HPhP电致发光的效率。这项研究提供了通过电法激发声子极化子波的首次实验演示。
研究还揭示了HPhP电致发光背后的有趣物理。具体来说，团队识别出了HPhP发射的两个可能路径。“当石墨烯中的电子浓度较低时，HPhPs通过带间跃迁发射。然而，在较高的电子浓度下，HPhP的发射通过带间跃迁和石墨烯内的带内切伦科夫辐射同时发生，”前加州理工学院的博士后研究员伊利亚·埃辛（Iliya Esin）说，他现为以色列巴尔伊兰大学的物理学助理教授，并且是该研究的对应作者。
这一发现不仅为开发纳米级长波红外或太赫兹光源开辟了新途径，而且为能源应用提供了激动人心的机会。在HPhPs电致发光过程中，石墨烯中的热电子迅速失去多余的动能——这是过热的主要原因。根据郭的说法，利用这一机制可以在电子设备中实现有效的热耗散。
电泵激光声子极化子光源打开了实用的、可扩展技术的大门。从下一代分子传感到改善电子设备的热管理，这一创新为能够重新定义我们现代设备的节能、紧凑技术的变革性进步奠定了基础。
