由加州大学欧文分校科学家牵头的国际研究团队提出一种让硅实现高效发光的新方法，相关成果发表于《Nano Letters》。研究显示，长期因“间接带隙”而被认为发光效率低的传统大块硅，在不改变材料成分或晶体结构的前提下，可被转化为明亮的宽带光源；关键在于对光本身性质的调控，而非对材料进行改造。

论文第一作者Aleks Noskov博士表示，硅长期是电子学的基础材料，但其难以高效发光一直制约硅光子学发展。该团队采用的路径是“改变光而不是改变材料”，从而为硅与光的相互作用提供新的实现方式。

研究团队指出，在传统光学条件下，光子的动量远小于固体中电子的动量，这种动量不匹配使硅中的辐射复合难以同时满足能量与动量守恒。为实现发光，硅通常需要借助晶格振动（声子）参与过程，导致发射效率显著受限。

团队发现，当光被限制在极小的纳米尺度空间内时，光子的动量谱会显著拓宽，动量不再可忽略，并可达到与材料中电子相当的量级。论文资深作者Dima Fishman教授称，这种变化使得硅中原本需要声子辅助的光学跃迁能够直接发生，从而无需额外辅助机制。

在实验实现上，研究人员通过在硅表面装饰超小的亚2纳米金属颗粒，构建“极端光约束”环境。在外部照明下，硅表面产生强烈的超宽带发射，覆盖可见光与近红外波段。

研究还显示，发射对表面装饰材料的来源不敏感，提示该效应主要由空间光约束程度决定，而非由材料化学性质主导。团队称，其发射效率接近传统直接带隙半导体的水平，这在大块硅体系中较为罕见。

另一位资深作者Eric Potma教授表示，传统观点认为材料中的光学跃迁主要由电子结构决定，而该研究表明，通过工程化光子的动量，可以改变跃迁规则并开启新的辐射通道。

研究团队将该机制描述为实现“对角”跃迁，即能量与动量同时变化，从而绕过间接半导体长期面临的动量守恒限制。在硅中，这带来新的辐射复合通道，并相对传统发射与非辐射损失表现出优势。Potma补充称，这项工作建立在团队此前关于吸收过程的发现之上，并进一步证明相同物理原理也可用于提升发射效率。

研究人员认为，该成果为在同一硅平台上集成光源、探测器与电子元件提供了新的基础方向，相关集成目标长期被用于光通信、类脑计算与光子驱动计算等领域。

此外，团队指出，“动量工程光子态”的思路可能适用于其他同样受动量守恒限制的材料体系。Fishman表示，当光子动量成为可工程化参数后，相关可能性仍处于探索阶段，并可能改变光电子器件的设计方式。