Khi một viên pha lê là một Semiconductor – InA pha tạp p trong trường hợp này – 'trạng thái bề mặt' được tạo ra bởi các liên kết còn sót lại không thể tránh khỏi trên bề mặt của mạng tinh thể có thể tạo ra điện trường có độ dốc cao khi chúng tương tác với bán dẫn. Đổi lại, các photon tới có thể tương tác với trường này.
UCLA cho biết: “Ánh sáng tới có thể đập vào các electron trong mạng bán dẫn và chuyển chúng đến trạng thái năng lượng cao hơn, tại thời điểm đó chúng có thể tự do nhảy xung quanh trong mạng tinh thể. “Điện trường được tạo ra trên bề mặt của chất bán dẫn tăng tốc hơn nữa các electron năng lượng cao kích thích quang này, sau đó giải phóng năng lượng bổ sung mà chúng thu được bằng cách bức xạ nó ở các bước sóng quang học khác nhau, do đó chuyển đổi các bước sóng.”
Một ăng-ten nano vàng-titan (màu nâu) trên bề mặt của tinh thể InAs - các vòng màu đỏ là plasmon bề mặt, hình bầu dục màu xanh lam là các liên kết bề mặt lủng lẳng, các điểm và vòng tròn là các điện tử và lỗ trống
Để thiết kế quy trình này, nhóm UCLA đã xây dựng một mảng ăng-ten nano trên bề mặt của InA.
Các photon tới, tia hồng ngoại 1550nm trong xung picosec giây trong thí nghiệm, kích thích mảng ăng-ten để ghép các plasmon bề mặt kích thích quang vào vùng bề mặt nơi điện trường tích hợp được cực đại hóa - nó được mô tả là “được xây dựng nông nhưng khổng lồ- trong điện trường trên bề mặt chất bán dẫn ”của các nhà nghiên cứu.
Các photon bị hấp thụ tạo ra một khí điện tử dưới các điểm tiếp xúc của ăng-ten, cộng hưởng ở các tần số nhịp từ sự trộn lẫn các tần số xung đầu vào khác nhau. Được ghép nối với ăng-ten bằng điện trường tích hợp, năng lượng cộng hưởng kết hợp với ăng-ten và nó bức xạ ra xa, trong trường hợp này là một hạt pules với phổ trải rộng đến 4THz - bước sóng từ 100μm đến 1 mm.
Để làm cho điều này có hiệu quả, cấu trúc hình học ăng ten và cấu trúc bán dẫn được chọn để tối đa hóa sự chồng chéo không gian giữa điện trường tích hợp và các cấu hình hấp thụ quang
Kỹ sư nghiên cứu Deniz Turan cho biết: “Thông qua khuôn khổ mới này, việc chuyển đổi bước sóng diễn ra dễ dàng và không cần thêm bất kỳ nguồn năng lượng bổ sung nào khi ánh sáng đi qua trường”.
Trong một cuộc trình diễn ứng dụng, một tinh thể nguyên mẫu được kết dính trên bề mặt của một sợi quang học được phân cắt, không có quang học chính xác can thiệp, để tạo nguồn cho một máy phân tích THz giống như ống nội soi.
UCLA cho biết: “Nếu không có sự chuyển đổi bước sóng này, nó sẽ yêu cầu mức công suất quang học gấp 100 lần để đạt được cùng một sóng terahertz, điều mà các sợi quang học mỏng được sử dụng trong đầu dò nội soi không thể hỗ trợ.
Theo các nhà nghiên cứu, kỹ thuật này cũng có thể áp dụng cho các chuyển đổi khác, trải dài từ vi sóng đến các bước sóng hồng ngoại xa.
Trên đây là một sự đơn giản hóa. Công trình được đề cập sâu trong bài báo Nature Communications 'Chuyển đổi bước sóng thông qua các trạng thái bề mặt ghép plasmon' - có thể xem toàn bộ mà không cần thanh toán.