浅谈当代物理学光电方向的研究进展

孙海浪

[摘 要]光电方向是目前物理学比较前沿的理论知识，而且还有很多有待深入研究的东西正在被世界各国专家学者摸索，抽象的思维模式让光电专业的学习比较晦涩难懂，但一旦发现其中的奥秘，也是意义非凡的。本文结合最新的科技报道来初步总结一下物理学光电方向的具体形式和最新的研究进展。

[关键词]物理学；光电方向；研究进展

物理学光电方向主要研究物理学，光学和电子科学与技术这三个方面的知识，对研究人员的设计和想象能力提出了更高要求。目前世界上美国处于光电方向研究领域的佼佼者，中国光电方向的毕业生就业情况良好，但在科学研究领域并不突出。

一、美国麻省理工针对新型捕捉光材料的最新发现

美国麻省理工学院研究人员曾创建出一种可以捕获光并令其在轨道上停止的材料，现在他们的新研究对这个过程的基本物理机制给出了进一步解释，还将其连接到其他看似无关现象的广泛范围之中。这项研究成果发表在最新一期的《物理评论快报》上。 据物理学家组织网近日报道，新的研究表明，这种光的捕获过程，包括扭转光的偏振方向，是基于一种涡流现象，与龙卷风到水漩涡排水口等现象相似。此外，分析表明这个被困的状态比以前认为的更稳定、更容易产生和难以打扰。研究人员认为：“人们认为这种困住的状态很微妙，几乎不可能实现。但事实证明，它可以一个稳健的方式存在。”在大多数自然光里，偏振的方向即被认为光波的振动方向，是固定的。这是允许偏光太阳镜工作的原则：从一个表面反射的光被选择性地向一个方向极化，然后，可以通过偏振滤光镜在直角的地方将反射光封住。研究人员说，但在这些困住光的晶体里，光进入材料被极化以一个漩涡的方式形成，随着光束偏振方向而变化。由于偏振在这个漩涡的每一点不同，它产生一个奇点也被称为一个拓扑缺陷，其中心就是捕获光的那个点。这种现象有可能产生一种矢量光束，这种特殊激光束可以潜在创建小型粒子加速器。这种设备可以使用这些矢量光束粒子加速并令其彼此撞击，或可允许未来桌面设备实现现在需数英里宽圆形隧道的各种高能实验。研究人员说，其也可以使用一种称为受激发射损耗显微镜的工具实现超分辨成像，以及允许通过单一的光学纤维发送更多通道的数据。这是目前对于材料捕捉光的最新研究报道。

二、科学家首次发现微共振腔内的光能纵向振动

课本里的知识告诉我们，平面光波的振动（即偏振）方向一直是横向的，也就是说，与其传播方向垂直。但奥地利维也纳技术大学的科学家们在最新的原子—物理实验中发现，在瓶子那样的微共振腔内的光拥有一种独特属性，其振动方向是纵向的。最新研究成果有助于科学家们开发新的超敏传感器和量子力学路由器等新式设备。在一个瓶子微共振腔内，当激光不沿光纤行进而是围绕光纤呈螺旋状行进时，能被耦合成一种光学玻璃纤维。光在瓶子微共振腔内可被存储约10纳秒，相当于围绕光纤旋转3万圈所耗费的时间，這足以让光和被带到光纤表面附近的单个原子之间相互作用。但维也纳技术大学科学家在最新实验中发现，这种情况下，光和物质的耦合程度比以前认为的要强。他们对这一令人吃惊的答案的解释是，在这样的微共振腔内，光拥有一种独特的属性：纵向振动。科学家们解释说，光波的振动方向对光波的行为至关重要。在瓶子微共振腔内，光波能在光纤周围顺时针行进，也能逆时针行进。如果这两种逆向行进的光波的偏振方向是横向的，它们将在某个地点互相增强，而在其他地方互相抵消。维也纳技术大学量子科学中心、原子和亚原子物理研究所的阿诺·劳斯彻布特勒教授说：“正是这种破坏性的干涉限制了光波和玻璃纤维周围的原子之间的耦合强度。”但如果这两束光波纵向振动，那么它们的振动状态必然会不同。其结果是，通过破坏性的干涉来让逆向传播的光束完全相互抵消不再可能，因而光—物质之间的耦合强度更强。劳斯彻布特勒说：“起初我们真的很震惊，以前我们都知道光能纵向振动，但直到现在，还没有人描述这种振动在微共振腔内的光—物质相互作用中的重要性。”研究人员表示，最新研究让他们可以据此研制出超灵敏的传感器，这种传感器能用光探测单个原子。而且瓶子微共振腔也摇身一变，成为研究光—物质相互作用基本属性的理想工具。科学家们下一步计划制造出一种由单个原子控制的光路由器，其能打开和关闭两个输出端之间的光。未来这样的一种量子力学路由器有望让光纤网络中的量子计算机之间实现互联。

三、科学家揭秘铁电材料的光电机制

科学家已经了解到铁电材料的原子结构可以使其自发产生极化现象，但至今尚不清楚光电过程是如何在铁电材料中发生的。如果能够理解这一光电机制并应用于太阳能电池，将能有效地提高太阳能电池的效率。研究人员所采用的铁电材料是铋铁酸盐薄膜（BFO）。这种特别制作的薄膜有着不同寻常的特性，在数百微米的距离内整齐而有规律地排列着不同的电畴。电畴为条状，每个电畴宽为50纳米到300纳米，畴壁为2纳米，相邻电畴的极性相反。这样研究人员就可以清楚地知道内置电场的精确位置及其电场强度，便于在微观尺度上开展研究，同时也避免了杂质原子环绕及多晶材料所造成的误差。当研究人员用光照射铋铁酸盐薄膜时，获得了比材料本身的带隙电压高很多的电压，说明光子可释放电子，并在畴壁上形成空穴，这样即使没有半导体的P—N结构，也可形成垂直于畴壁的电流。通过各种试验，研究人员确定畴壁在提高电压上具有十分重要的作用。据此他们开发出一种模型，可令极性相反的电畴制造出多余的电荷，并能传递到相邻的电畴。这种情况有点像传递水桶的过程，随着多余电荷不断注入锯齿状相邻的电畴，电压可逐级显著增加。在畴壁的两侧，由于电性相反，就可形成电场，使载电体分离。在畴壁的一侧，电子堆积，空穴互相排斥；而另一侧则空穴堆积，电子互相排斥。太阳能电池之所以会损失效率，是由于电子和空穴会迅速结合，但是这种情况不会在铋铁酸盐薄膜上出现，因为相邻的电畴极性相反。根据同性相斥，异性相吸的原理，电子和空穴会沿相反的方向运动，而由于电子的数量远超空穴的数量，所以多余的电子会溢出到相邻的电畴。铋铁酸盐薄膜本身并不是一种很好的太阳能电池材料，因为它只对蓝色和近紫外线发生反应，而且在其产生高电压的同时，并不能产生足够高的电流。但是研究人员确信，在任何具有锯齿状结构的铁电材料中，类似的过程也会发生。

四、结语

当然，除了上述光电方向专业工作者的科研成果外，还有很多默默无闻在为物理光电工程付出自己全部精力和智慧的科学们，他们的存在，物理学光电工程的发展一定会取得新的突破。

参考文献：

[1] 刘其军，刘正堂，冯丽萍，许冰. 闪锌矿型CdTe电子结构和光学性质的第一性原理[J]. 中国科学院研究生院学报. 2009（05）

[2] 光电子技术与产品信息集锦[J]. 光机电信息. 2001（02）

[3] 光电子技术概论[J]. 中国光学与应用光学文摘. 2001（04）