水晶が 半導体 – この場合は p ドープ InAs – 結晶格子の表面に必然的に残った結合によって作成される「表面状態」は、結晶格子と相互作用する際に高勾配電場を生成する可能性があります。 半導体。 次に、入射光子はこの場と相互作用することができます。
UCLAによれば、「入ってくる光は半導体格子内の電子に当たり、それらをより高いエネルギー状態に移動させることができ、その時点でそれらは格子内を自由に飛び回ることができます」。 「半導体の表面全体に生成された電界は、これらの光励起された高エネルギー電子をさらに加速し、異なる光波長で放射することによって得られた余分なエネルギーをアンロードし、波長を変換します。」
InAs結晶の表面にあるチタン-金ナノアンテナ（茶色）–赤いループは表面プラズモン、青い楕円はぶら下がっている表面結合、スポットと円は電子と正孔
このプロセスを設計するために、UCLAチームはInAsの表面にナノアンテナアレイを構築しました。
実験ではピコ秒パルスで1550nm赤外線の入射光子がアンテナアレイを励起し、光励起された表面プラズモンを、ビルトイン電界が最大化される表面領域に結合します。これは「浅いが巨大なビルトイン」と呼ばれます。研究者による「半導体表面を横切る電界の中で」。
吸収された光子は、アンテナ接点の下に電子ガスを生成します。電子ガスは、異なる入力パルス周波数の混合からビート周波数で共振します。 内蔵電界によってアンテナに結合されると、共振エネルギーがアンテナに結合し、この場合は最大4THzのスペクトル（波長100μmから1mm）のパルスとして放射されます。
これを効果的にするために、アンテナの形状と半導体構造は、内蔵電界と光吸収プロファイルの間の空間的オーバーラップを最大化するように選択されます
「この新しいフレームワークにより、波長変換は簡単に行われ、入射光がフィールドを通過するときにエネルギー源を追加する必要はありません」と、研究エンジニアのDenizTuran氏は述べています。
アプリケーションのデモンストレーションでは、プロトタイプの結晶が、内視鏡のようなTHzアナライザーのソースを作成するために、介在する精密光学系なしで、劈開された光ファイバーの面全体に接着されました。
「この波長変換がなければ、同じテラヘルツ波を達成するために100倍の光パワーレベルが必要でしたが、内視鏡プローブで使用される細い光ファイバーではサポートできませんでした」とUCLAは述べています。
研究者によると、この技術は、マイクロ波から遠赤外線波長に及ぶ他の変換にも適用可能です。
上記は簡略化です。 この作業は、NatureCommunicationsの論文「プラズモン結合表面状態による波長変換」で詳細に説明されています。支払いなしで完全に表示できます。