Cuando un cristal es un Semiconductores – InA dopado con p en este caso: los 'estados superficiales' creados por los enlaces sobrantes que son inevitables en la superficie de una red cristalina pueden crear campos eléctricos de alto gradiente cuando interactúan con el semiconductor. A su vez, los fotones incidentes pueden interactuar con este campo.
"La luz entrante puede golpear los electrones en la red de semiconductores y moverlos a un estado de mayor energía, momento en el que son libres de saltar dentro de la red", según UCLA. "El campo eléctrico creado a través de la superficie del semiconductor acelera aún más estos electrones fotoexcitados de alta energía, que luego descargan la energía extra que obtuvieron al irradiarla en diferentes longitudes de onda ópticas, convirtiendo así las longitudes de onda".
Una nanoantena de titanio y oro (marrón) en la superficie de un cristal de InAs: los lazos rojos son plasmones superficiales, los óvalos azules son enlaces superficiales colgantes, los puntos y círculos son electrones y agujeros
Para diseñar este proceso, el equipo de UCLA construyó una matriz de nano-antenas en la superficie de los InA.
Los fotones entrantes, infrarrojos de 1550 nm en pulsos de picosegundos en el experimento, excitan la matriz de antenas para acoplar los plasmones de superficie fotoexcitados a la región de la superficie donde se maximiza el campo eléctrico incorporado; se describe como un "construido poco profundo pero gigante". en campo eléctrico a través de la superficie del semiconductor ”por los investigadores.
Los fotones absorbidos generan un gas de electrones debajo de los contactos de la antena, que resuena en las frecuencias de batido de la mezcla de diferentes frecuencias de pulso de entrada. Acoplado a las antenas por el campo eléctrico incorporado, la energía resonante se acopla a las antenas y se irradia, en este caso como pules con un espectro que abarca hasta 4 THz - longitudes de onda de 100 μm a 1 mm.
Para que esto sea efectivo, la geometría de la antena y la estructura del semiconductor se eligen para maximizar la superposición espacial entre el campo eléctrico incorporado y los perfiles de fotoabsorción.
“A través de este nuevo marco, la conversión de la longitud de onda ocurre fácilmente y sin ninguna fuente adicional de energía adicional cuando la luz entrante cruza el campo”, dijo el ingeniero de investigación Deniz Turan.
En una demostración de aplicación, se unió un cristal prototipo a través de la cara de una fibra óptica escindida, sin ópticas de precisión intermedias, para crear la fuente de un analizador de THz similar a un endoscopio.
“Sin esta conversión de longitud de onda, se habría requerido 100 veces el nivel de potencia óptica para lograr las mismas ondas de terahercios, que las delgadas fibras ópticas utilizadas en la sonda de endoscopia no pueden soportar”, según UCLA.
La técnica también es aplicable a otras conversiones, desde microondas hasta longitudes de onda de infrarrojo lejano, según los investigadores.
Arriba hay una simplificación. El trabajo se cubre en profundidad en el artículo de Nature Communications 'Conversión de longitud de onda a través de estados de superficie acoplados a plasmones', que se puede ver en su totalidad sin pago.