Ketika kristal adalah Semikonduktor – InA yang didoping p dalam hal ini – ‘keadaan permukaan’ yang diciptakan oleh ikatan sisa yang tidak dapat dihindari pada permukaan kisi kristal dapat menciptakan medan listrik gradien tinggi saat berinteraksi dengan semikonduktor. Pada gilirannya, foton yang datang dapat berinteraksi dengan bidang ini.
“Cahaya yang masuk dapat mengenai elektron dalam kisi semikonduktor dan memindahkannya ke tingkat energi yang lebih tinggi, di mana mereka bebas untuk melompat-lompat di dalam kisi,” menurut UCLA. “Medan listrik yang tercipta di seluruh permukaan semikonduktor semakin mempercepat elektron berenergi tinggi foto-eksitasi ini, yang kemudian melepaskan energi ekstra yang mereka peroleh dengan memancarkannya pada panjang gelombang optik yang berbeda, sehingga mengubah panjang gelombang.”
Antena nano titanium-emas (coklat) pada permukaan kristal InAs – loop merah adalah plasmon permukaan, oval biru adalah ikatan permukaan yang menjuntai, bintik dan lingkaran adalah elektron dan lubang
Untuk merekayasa proses ini, tim UCLA membangun susunan antena nano di permukaan InAs.
Foton yang masuk, 1550nm infra-merah dalam pulsa picosecond dalam percobaan, menggairahkan susunan antena untuk memasangkan plasmon permukaan yang tereksitasi-foto ke wilayah permukaan di mana medan listrik bawaan dimaksimalkan – ini digambarkan sebagai “dangkal tapi raksasa built- dalam medan listrik melintasi permukaan semikonduktor” oleh para peneliti.
Foton yang diserap menghasilkan gas elektron di bawah kontak antena, yang beresonansi pada frekuensi ketukan dari pencampuran frekuensi pulsa input yang berbeda. Digabungkan ke antena oleh medan listrik built-in, pasangan energi resonansi ke dalam antena dan terpancar, dalam hal ini sebagai pulsa dengan spektrum yang membentang hingga 4THz – panjang gelombang dari 100μm hingga 1mm.
Untuk mengefektifkan ini, geometri antena dan struktur semikonduktor dipilih untuk memaksimalkan tumpang tindih spasial antara medan listrik internal dan profil penyerapan foto.
“Melalui kerangka kerja baru ini, konversi panjang gelombang terjadi dengan mudah dan tanpa tambahan sumber energi tambahan saat cahaya yang masuk melintasi lapangan,” kata insinyur riset Deniz Turan.
Dalam demonstrasi aplikasi, kristal prototipe direkatkan di seluruh permukaan serat optik yang dibelah, tanpa optik presisi yang mengganggu, untuk membuat sumber untuk penganalisis THz seperti endoskopi.
“Tanpa konversi panjang gelombang ini, dibutuhkan 100 kali tingkat daya optik untuk mencapai gelombang terahertz yang sama, yang tidak dapat didukung oleh serat optik tipis yang digunakan dalam pemeriksaan endoskopi,” menurut UCLA.
Teknik ini juga berlaku untuk konversi lain, yang mencakup gelombang mikro hingga panjang gelombang inframerah-jauh, menurut para peneliti.
Di atas adalah penyederhanaan. Pekerjaan ini dibahas secara mendalam dalam makalah Nature Communications 'Konversi panjang gelombang melalui keadaan permukaan yang digabungkan dengan plasmon' – dapat dilihat secara penuh tanpa pembayaran.