Wanneer een kristal een is Halfgeleider – in dit geval p-gedoteerd InAs – kunnen de ‘oppervlaktetoestanden’ die worden gecreëerd door de overgebleven bindingen die onvermijdelijk zijn aan het oppervlak van een kristalrooster, elektrische velden met een hoge gradiënt creëren wanneer ze interageren met de halfgeleider. Op hun beurt kunnen invallende fotonen een interactie aangaan met dit veld.
"Inkomend licht kan de elektronen in het halfgeleiderrooster raken en ze naar een hogere energietoestand brengen, waarna ze vrij kunnen rondspringen in het rooster", aldus UCLA. "Het elektrische veld dat over het oppervlak van de halfgeleider wordt gecreëerd, versnelt verder deze foto-geëxciteerde hoogenergetische elektronen, die vervolgens de extra energie die ze hebben gewonnen ontladen door het op verschillende optische golflengten uit te stralen, waardoor de golflengten worden omgezet."
Een titanium-gouden nano-antenne (bruin) op het oppervlak van een InAs-kristal - rode lussen zijn oppervlakteplasmonen, blauwe ovalen zijn bungelende oppervlaktebindingen, vlekken en cirkels zijn elektronen en gaten
Om dit proces te ontwikkelen, heeft het UCLA-team een nano-antenne-array gebouwd op het oppervlak van de InAs.
Inkomende fotonen, 1550 nm infrarood in picoseconde pulsen in het experiment, prikkelen de antenne-array om foto-geëxciteerde oppervlakteplasmonen te koppelen aan het oppervlaktegebied waar het ingebouwde elektrische veld wordt gemaximaliseerd - het wordt beschreven als een "ondiepe maar gigantische ingebouwde- in elektrisch veld over het halfgeleideroppervlak "door de onderzoekers.
De geabsorbeerde fotonen genereren een elektronengas onder de antennecontacten, dat resoneert op slagfrequenties door het mengen van verschillende ingangspulsfrequenties. Gekoppeld aan de antennes door het ingebouwde elektrische veld, koppelt de resonantie-energie zich in de antennes en straalt het weg, in dit geval als een puls met een spectrum dat zich uitstrekt tot 4THz - golflengten van 100 m tot 1 mm.
Om dit effectief te maken, zijn de antennegeometrie en halfgeleiderstructuur gekozen om de ruimtelijke overlap tussen het ingebouwde elektrische veld en foto-absorptieprofielen te maximaliseren
"Door dit nieuwe raamwerk vindt conversie van golflengten gemakkelijk en zonder extra toegevoegde energiebron plaats wanneer het binnenkomende licht het veld doorkruist", zegt onderzoeksingenieur Deniz Turan.
In een toepassingsdemonstratie werd een prototypekristal over het oppervlak van een gespleten optische vezel gebonden, zonder tussenliggende precisie-optiek, om de bron te creëren voor een endoscoopachtige THz-analysator.
"Zonder deze golflengteconversie zou 100 keer het optische vermogensniveau nodig zijn geweest om dezelfde terahertz-golven te bereiken, die de dunne optische vezels die in de endoscopiesonde worden gebruikt niet kunnen ondersteunen", aldus UCLA.
De techniek is volgens de onderzoekers ook toepasbaar op andere conversies, van microgolven tot ver-infrarode golflengten.
Hierboven staat een vereenvoudiging. Het werk wordt uitgebreid behandeld in het Nature Communications-document 'Golflengteconversie door plasmon-gekoppelde oppervlaktetoestanden' - volledig te bekijken zonder betaling.