理化学研究所 (RIKEN) 的科学家们揭示了碳纳米管如何发出比其吸收的光能量更高的光，这得益于声子相互作用和暗激子的形成。这一发现可能为太阳能和未来光子器件领域的突破铺平道路。

日本理化学研究所（RIKEN）尖端光子学研究中心的三名物理学家发现了超薄碳管（即碳纳米管）如何发出携带能量高于其吸收光能量的光。这一惊人发现可能为太阳能采集技术和先进生物成像技术开辟道路。

我们大多数人都熟悉一些材料在紫外线（UV）照射下会发光的现象，比如荧光漆。这些都是光致发光的经典例子，即一种材料吸收高能紫外线，然后释放出低能可见光。

上转换的奇异案例

但在一些材料中，却会出现相反的情况。向它们照射低能量光，它们会释放出高能量光作为回应。这种罕见且违反直觉的过程被称为上转换光致发光（UCPL）。随着人们对它的兴趣日益浓厚，因为它能将不可用的低能量光转换成发电所需的高能量光，从而提高太阳能电池的效率。

在典型的光致发光中，入射光激发一个电子，将其提升到更高的能级，并留下一个带正电的“空穴”。电子和空穴短暂地形成一种称为激子的束缚态。最终，它们重新结合，释放出光。

声子相互作用增强上转换磷光

在正常的光致发光过程中，激子将能量传递给材料，因此发射出的光所携带的能量少于入射光所带来的能量。然而，在上转换光致发光（UCPL）中，激子通过与材料中被称为声子的振动相互作用，从材料中获得能量增益。

现在，加藤雄一郎（Yuichiro Kato）及其两位同事（三人均来自日本理化学研究所先进光子学研究中心）已准确找出上转换光致发光（UCPL）在单壁碳纳米管中的运作方式——单壁碳纳米管是一种类似吸管形状的碳圆柱体，宽度仅为几十亿分之几米。

先前的理论认为，只有在单壁碳纳米管中的激子被纳米管结构中的缺陷暂时捕获时，上转换光致发光（UCPL）才可能发生。但研究人员发现，即使在无缺陷的纳米管中，UCPL也以高效率发生，这表明存在另一种作用机制。

暗激子：高能发射的秘诀

这三位研究人员发现，当电子受到光的激发时，会从声子那里同时获得能量增强，从而形成“暗激子”状态。在损失少量能量后，激子最终发出的光比入射激光的能量更高。

提高温度会产生更强的UCPL效应，这证实了他们的模型所作的预测。“温度越高，声子越丰富，声子介导跃迁的可能性就越大，”加藤说。

能源与制冷的未来可能性

研究人员计划研究使用激光照射冷却纳米管以通过上转换光致发光移除热能的可行性，并探索能量收集的机会，以创建基于纳米管的装置。

加藤（Kato）说：“我们希望在单壁碳纳米管中建立UCPL的内禀模型，从而为设计先进的光电和光子器件开辟新的可能性。”

参考文献：《通过碳纳米管中的k动量-声子耦合实现上转换光致发光的内禀过程》，作者：小泽大智、藤井隼、加藤雄一郎，发表于2024年10月10日，《物理评论B》。数字对象标识符：10.1103/PhysRevB.110.155418

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