Когда кристалл - это Полупроводниковое – в данном случае InAs с p-легированием – «поверхностные состояния», создаваемые остаточными связями, которые неизбежны на поверхности кристаллической решетки, могут создавать электрические поля с высоким градиентом при взаимодействии с полупроводник. В свою очередь, падающие фотоны могут взаимодействовать с этим полем.
«Входящий свет может поразить электроны в решетке полупроводника и переместить их в более высокое энергетическое состояние, после чего они могут свободно прыгать внутри решетки», - сообщает UCLA. «Электрическое поле, создаваемое на поверхности полупроводника, дополнительно ускоряет эти фото-возбужденные электроны высокой энергии, которые затем выгружают дополнительную энергию, которую они получили, излучая ее на разных длинах оптических волн, тем самым преобразуя длины волн».
Титано-золотая наноантенна (коричневая) на поверхности кристалла InAs - красные петли - это поверхностные плазмоны, синие овалы - это свисающие поверхностные связи, пятна и круги - электроны и дырки.
Чтобы спроектировать этот процесс, команда UCLA построила массив наноантенн на поверхности InAs.
Входящие фотоны, 1550 нм инфракрасного излучения в пикосекундных импульсах в эксперименте, возбуждают антенную решетку, чтобы связать фотовозбужденные поверхностные плазмоны с областью поверхности, где встроенное электрическое поле максимизировано - это описывается как «неглубокая, но гигантская встроенная система». в электрическом поле на поверхности полупроводника »исследователей.
Поглощенные фотоны генерируют электронный газ под контактами антенны, который резонирует на частотах биений в результате смешения различных частот входных импульсов. Связанная с антеннами встроенным электрическим полем, резонансная энергия передается в антенны и излучается прочь, в данном случае в виде пулов со спектром, охватывающим до 4 ТГц - с длинами волн от 100 мкм до 1 мм.
Чтобы сделать это эффективным, геометрия антенны и полупроводниковая структура выбраны так, чтобы максимально увеличить пространственное перекрытие между встроенным электрическим полем и профилями фотопоглощения.
«Благодаря этой новой структуре преобразование длины волны происходит легко и без каких-либо дополнительных источников энергии, когда входящий свет пересекает поле», - сказал инженер-исследователь Дениз Туран.
В демонстрации применения прототип кристалла был прикреплен к поверхности сколотого оптического волокна без прецизионной оптики, чтобы создать источник для ТГц анализатора, подобного эндоскопу.
«Без этого преобразования длины волны для достижения тех же терагерцовых волн, которые не могут поддерживать тонкие оптические волокна, используемые в эндоскопическом датчике, потребовалось бы в 100 раз больше уровня оптической мощности», - сообщает UCLA.
По словам исследователей, этот метод также применим для других преобразований, от микроволн до длинных инфракрасных волн.
Выше упрощение. Работа подробно описана в статье Nature Communications «Преобразование длины волны через связанные с плазмонами поверхностные состояния», которую можно просмотреть полностью без оплаты.