Quando um cristal é um Semicondutores – InAs dopados com p, neste caso – os 'estados de superfície' criados pelas ligações restantes que são inevitáveis na superfície de uma rede cristalina podem criar campos elétricos de alto gradiente à medida que interagem com o Semicondutor. Por sua vez, os fótons incidentes podem interagir com este campo.
“A luz que entra pode atingir os elétrons na rede do semicondutor e movê-los para um estado de energia superior, em que eles estão livres para pular dentro da rede”, de acordo com a UCLA. “O campo elétrico criado através da superfície do semicondutor acelera ainda mais esses elétrons de alta energia fotoexcitados, que então descarregam a energia extra que ganharam ao irradiá-la em diferentes comprimentos de onda óticos, convertendo assim os comprimentos de onda.”
Uma nanoantena de titânio-ouro (marrom) na superfície de um cristal InAs - loops vermelhos são plasmons de superfície, ovais azuis são ligações superficiais pendentes, pontos e círculos são elétrons e buracos
Para projetar esse processo, a equipe da UCLA construiu um arranjo de nanoantenas na superfície dos InAs.
Os fótons que chegam, infravermelho de 1550 nm em pulsos de picossegundos no experimento, excitam o conjunto de antenas para acoplar plasmons de superfície fotoexcitados à região da superfície onde o campo elétrico embutido é maximizado - é descrito como "raso, mas gigante construído- no campo elétrico através da superfície do semicondutor ”pelos pesquisadores.
Os fótons absorvidos geram um gás de elétron sob os contatos da antena, que ressoa nas frequências de batimento da mistura de diferentes frequências de pulso de entrada. Acoplada às antenas pelo campo elétrico embutido, a energia ressonante se acopla às antenas e se irradia, neste caso como uma pula com um espectro de até 4THz - comprimentos de onda de 100μm a 1mm.
Para tornar isso eficaz, a geometria da antena e a estrutura do semicondutor são escolhidas para maximizar a sobreposição espacial entre o campo elétrico embutido e os perfis de fotoabsorção
“Por meio dessa nova estrutura, a conversão do comprimento de onda acontece facilmente e sem nenhuma fonte adicional de energia, conforme a luz que entra atravessa o campo”, disse o engenheiro de pesquisa Deniz Turan.
Em uma demonstração de aplicação, um protótipo de cristal foi ligado através da face de uma fibra óptica clivada, sem nenhuma óptica de precisão intermediária, para criar a fonte para um analisador THz semelhante a um endoscópio.
“Sem essa conversão de comprimento de onda, seria necessário 100 vezes o nível de potência óptica para atingir as mesmas ondas terahertz, que as fibras ópticas finas usadas na sonda de endoscopia não podem suportar”, de acordo com a UCLA.
A técnica também é aplicável a outras conversões, abrangendo microondas até comprimentos de onda infravermelhos distantes, de acordo com os pesquisadores.
Acima é uma simplificação. O trabalho é abordado em profundidade no artigo da Nature Communications 'Conversão de comprimento de onda através de estados de superfície acoplados a plasmon' - visível na íntegra sem pagamento.