科學家最近發現了一種能夠使原子與光互動的全新方法，這一突破性成果在某些晶體中，名為聲子的振動能夠與光波融合，形成完全新的混合物質狀態。這項研究不僅改變了能量在太陽能電池和發光二極管等裝置中的流動方式，還為未來的材料科學提供了新的視角。來自萊斯大學的研究團隊與其他合作夥伴共同探索了薄膜鉛鹵化物鈣鈦礦中，如何讓兩個聲子強烈互動，進而形成全新的混合物質狀態。
為了觸發這一效果，研究人員在一層薄薄的金屬中設計了納米級的槽，每個槽的厚度約為保鮮膜的千分之一，這些槽像是微小的金屬光陷阱，能夠將光調整到聲子的頻率。這種強烈的相互作用被稱為「超強耦合」。研究的第一作者金達相（Dasom Kim）表示：「這是第一個在鈣鈦礦薄膜中於室溫下演示的實驗，兩個聲子進入超強耦合狀態，並且只需一個精心設計的太赫茲共振。」
團隊製作了七種不同長度的槽，較長的槽可以捕捉較低頻率的光，而較短的槽則捕捉較高頻率的光，目的是將光的頻率與鈣鈦礦材料的振動進行匹配。金達相解釋道：「我們製作了七個稍有不同長度的納米槽陣列，以調整單一的太赫茲共振，並在其上覆蓋鈣鈦礦薄膜。」這種槽的幾何設計使得研究團隊能夠在不使用高功率激光脈衝或大型晶體的情況下，改變光與鈣鈦礦聲子之間的相互作用。
最終，這項研究顯示出三種不同的混合量子態，稱為聲子極化子，這代表了振動與光的全新結合。金達相補充道：「耦合比率在室溫下達到了聲子頻率的約30%。」這一突破性進展使得科學家能夠以溫和且相容於裝置的方式控制光電材料中的能量傳輸。與以往依賴極端條件或高功率激光的方式不同，這一方法顯示出其穩定性和可靠性。
萊斯大學小萊斯-庫爾研究所的負責作者及主任久野純一郎（Junichiro Kono）指出，「這為影響光捕獲和光發射過程提供了一種溫和且裝置相容的方式，潛在地提高性能並減少能量損失。」他還補充道，這項研究的突出之處在於，通過精心設計納米級環境而發現了全新的聲子行為，並無需極端條件。數值模擬和理論量子模型驗證了實驗結果，證實了兩個聲子模式確實處於超強耦合狀態。這項研究為調整材料中的量子相互作用開辟了新的途徑，未來有望透過控制能量在微觀層面的流動，提升太陽能電池、發光二極管及其他光電裝置的性能。此次研究的成果已發表於《自然通訊》期刊。
