淺談當(dāng)代物理學(xué)光電方向的研究進(jìn)展

孫海浪

[摘 要]光電方向是目前物理學(xué)比較前沿的理論知識，而且還有很多有待深入研究的東西正在被世界各國專家學(xué)者摸索，抽象的思維模式讓光電專業(yè)的學(xué)習(xí)比較晦澀難懂，但一旦發(fā)現(xiàn)其中的奧秘，也是意義非凡的。本文結(jié)合最新的科技報道來初步總結(jié)一下物理學(xué)光電方向的具體形式和最新的研究進(jìn)展。

[關(guān)鍵詞]物理學(xué)；光電方向；研究進(jìn)展

物理學(xué)光電方向主要研究物理學(xué)，光學(xué)和電子科學(xué)與技術(shù)這三個方面的知識，對研究人員的設(shè)計和想象能力提出了更高要求。目前世界上美國處于光電方向研究領(lǐng)域的佼佼者，中國光電方向的畢業(yè)生就業(yè)情況良好，但在科學(xué)研究領(lǐng)域并不突出。

一、美國麻省理工針對新型捕捉光材料的最新發(fā)現(xiàn)

美國麻省理工學(xué)院研究人員曾創(chuàng)建出一種可以捕獲光并令其在軌道上停止的材料，現(xiàn)在他們的新研究對這個過程的基本物理機(jī)制給出了進(jìn)一步解釋，還將其連接到其他看似無關(guān)現(xiàn)象的廣泛范圍之中。這項研究成果發(fā)表在最新一期的《物理評論快報》上。 據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日報道，新的研究表明，這種光的捕獲過程，包括扭轉(zhuǎn)光的偏振方向，是基于一種渦流現(xiàn)象，與龍卷風(fēng)到水漩渦排水口等現(xiàn)象相似。此外，分析表明這個被困的狀態(tài)比以前認(rèn)為的更穩(wěn)定、更容易產(chǎn)生和難以打擾。研究人員認(rèn)為：“人們認(rèn)為這種困住的狀態(tài)很微妙，幾乎不可能實現(xiàn)。但事實證明，它可以一個穩(wěn)健的方式存在?！痹诖蠖鄶?shù)自然光里，偏振的方向即被認(rèn)為光波的振動方向，是固定的。這是允許偏光太陽鏡工作的原則：從一個表面反射的光被選擇性地向一個方向極化，然后，可以通過偏振濾光鏡在直角的地方將反射光封住。研究人員說，但在這些困住光的晶體里，光進(jìn)入材料被極化以一個漩渦的方式形成，隨著光束偏振方向而變化。由于偏振在這個漩渦的每一點不同，它產(chǎn)生一個奇點也被稱為一個拓?fù)淙毕?，其中心就是捕獲光的那個點。這種現(xiàn)象有可能產(chǎn)生一種矢量光束，這種特殊激光束可以潛在創(chuàng)建小型粒子加速器。這種設(shè)備可以使用這些矢量光束粒子加速并令其彼此撞擊，或可允許未來桌面設(shè)備實現(xiàn)現(xiàn)在需數(shù)英里寬圓形隧道的各種高能實驗。研究人員說，其也可以使用一種稱為受激發(fā)射損耗顯微鏡的工具實現(xiàn)超分辨成像，以及允許通過單一的光學(xué)纖維發(fā)送更多通道的數(shù)據(jù)。這是目前對于材料捕捉光的最新研究報道。

二、科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)微共振腔內(nèi)的光能縱向振動

課本里的知識告訴我們，平面光波的振動（即偏振）方向一直是橫向的，也就是說，與其傳播方向垂直。但奧地利維也納技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家們在最新的原子—物理實驗中發(fā)現(xiàn)，在瓶子那樣的微共振腔內(nèi)的光擁有一種獨特屬性，其振動方向是縱向的。最新研究成果有助于科學(xué)家們開發(fā)新的超敏傳感器和量子力學(xué)路由器等新式設(shè)備。在一個瓶子微共振腔內(nèi)，當(dāng)激光不沿光纖行進(jìn)而是圍繞光纖呈螺旋狀行進(jìn)時，能被耦合成一種光學(xué)玻璃纖維。光在瓶子微共振腔內(nèi)可被存儲約10納秒，相當(dāng)于圍繞光纖旋轉(zhuǎn)3萬圈所耗費的時間，這足以讓光和被帶到光纖表面附近的單個原子之間相互作用。但維也納技術(shù)大學(xué)科學(xué)家在最新實驗中發(fā)現(xiàn)，這種情況下，光和物質(zhì)的耦合程度比以前認(rèn)為的要強(qiáng)。他們對這一令人吃驚的答案的解釋是，在這樣的微共振腔內(nèi)，光擁有一種獨特的屬性：縱向振動?？茖W(xué)家們解釋說，光波的振動方向?qū)獠ǖ男袨橹陵P(guān)重要。在瓶子微共振腔內(nèi)，光波能在光纖周圍順時針行進(jìn)，也能逆時針行進(jìn)。如果這兩種逆向行進(jìn)的光波的偏振方向是橫向的，它們將在某個地點互相增強(qiáng)，而在其他地方互相抵消。維也納技術(shù)大學(xué)量子科學(xué)中心、原子和亞原子物理研究所的阿諾·勞斯徹布特勒教授說：“正是這種破壞性的干涉限制了光波和玻璃纖維周圍的原子之間的耦合強(qiáng)度?！钡绻@兩束光波縱向振動，那么它們的振動狀態(tài)必然會不同。其結(jié)果是，通過破壞性的干涉來讓逆向傳播的光束完全相互抵消不再可能，因而光—物質(zhì)之間的耦合強(qiáng)度更強(qiáng)。勞斯徹布特勒說：“起初我們真的很震驚，以前我們都知道光能縱向振動，但直到現(xiàn)在，還沒有人描述這種振動在微共振腔內(nèi)的光—物質(zhì)相互作用中的重要性?！毖芯咳藛T表示，最新研究讓他們可以據(jù)此研制出超靈敏的傳感器，這種傳感器能用光探測單個原子。而且瓶子微共振腔也搖身一變，成為研究光—物質(zhì)相互作用基本屬性的理想工具?？茖W(xué)家們下一步計劃制造出一種由單個原子控制的光路由器，其能打開和關(guān)閉兩個輸出端之間的光。未來這樣的一種量子力學(xué)路由器有望讓光纖網(wǎng)絡(luò)中的量子計算機(jī)之間實現(xiàn)互聯(lián)。

三、科學(xué)家揭秘鐵電材料的光電機(jī)制

科學(xué)家已經(jīng)了解到鐵電材料的原子結(jié)構(gòu)可以使其自發(fā)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，但至今尚不清楚光電過程是如何在鐵電材料中發(fā)生的。如果能夠理解這一光電機(jī)制并應(yīng)用于太陽能電池，將能有效地提高太陽能電池的效率。研究人員所采用的鐵電材料是鉍鐵酸鹽薄膜（BFO）。這種特別制作的薄膜有著不同尋常的特性，在數(shù)百微米的距離內(nèi)整齊而有規(guī)律地排列著不同的電疇。電疇為條狀，每個電疇寬為50納米到300納米，疇壁為2納米，相鄰電疇的極性相反。這樣研究人員就可以清楚地知道內(nèi)置電場的精確位置及其電場強(qiáng)度，便于在微觀尺度上開展研究，同時也避免了雜質(zhì)原子環(huán)繞及多晶材料所造成的誤差。當(dāng)研究人員用光照射鉍鐵酸鹽薄膜時，獲得了比材料本身的帶隙電壓高很多的電壓，說明光子可釋放電子，并在疇壁上形成空穴，這樣即使沒有半導(dǎo)體的P—N結(jié)構(gòu)，也可形成垂直于疇壁的電流。通過各種試驗，研究人員確定疇壁在提高電壓上具有十分重要的作用。據(jù)此他們開發(fā)出一種模型，可令極性相反的電疇制造出多余的電荷，并能傳遞到相鄰的電疇。這種情況有點像傳遞水桶的過程，隨著多余電荷不斷注入鋸齒狀相鄰的電疇，電壓可逐級顯著增加。在疇壁的兩側(cè)，由于電性相反，就可形成電場，使載電體分離。在疇壁的一側(cè)，電子堆積，空穴互相排斥；而另一側(cè)則空穴堆積，電子互相排斥。太陽能電池之所以會損失效率，是由于電子和空穴會迅速結(jié)合，但是這種情況不會在鉍鐵酸鹽薄膜上出現(xiàn)，因為相鄰的電疇極性相反。根據(jù)同性相斥，異性相吸的原理，電子和空穴會沿相反的方向運動，而由于電子的數(shù)量遠(yuǎn)超空穴的數(shù)量，所以多余的電子會溢出到相鄰的電疇。鉍鐵酸鹽薄膜本身并不是一種很好的太陽能電池材料，因為它只對藍(lán)色和近紫外線發(fā)生反應(yīng)，而且在其產(chǎn)生高電壓的同時，并不能產(chǎn)生足夠高的電流。但是研究人員確信，在任何具有鋸齒狀結(jié)構(gòu)的鐵電材料中，類似的過程也會發(fā)生。

四、結(jié)語

當(dāng)然，除了上述光電方向?qū)I(yè)工作者的科研成果外，還有很多默默無聞在為物理光電工程付出自己全部精力和智慧的科學(xué)們，他們的存在，物理學(xué)光電工程的發(fā)展一定會取得新的突破。

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