Schema del reticolo di InAs a contatto con un array di nanoantenna che piega la luce in ingresso in modo che sia strettamente confinata attorno alla superficie poco profonda del semiconduttore. Il gigantesco campo elettrico creato sulla superficie del semiconduttore accelera gli elettroni fotoeccitati, che poi scaricano l'energia extra che hanno guadagnato irradiandola a diverse lunghezze d'onda ottiche. Attestazione:Deniz Turan/UCLA
Gli ingegneri elettrici della UCLA Samueli School of Engineering hanno sviluppato un modo più efficiente per convertire la luce da una lunghezza d'onda all'altra, aprendo le porte a miglioramenti nelle prestazioni dell'imaging, sistemi di rilevamento e comunicazione.
Mona Jarrahi, professore di ingegneria elettrica e informatica alla UCLA Samueli, ha portato il Comunicazioni sulla natura -ricerca pubblicata.
Trovare un modo efficiente per convertire le lunghezze d'onda della luce è fondamentale per il miglioramento di molte tecnologie di imaging e rilevamento. Per esempio, la conversione della luce in ingresso in lunghezze d'onda terahertz consente l'imaging e il rilevamento in ambienti otticamente opachi. Però, i precedenti framework di conversione erano inefficienti e richiedevano configurazioni ottiche ingombranti e complesse.
Il team guidato dall'UCLA ha ideato una soluzione per migliorare l'efficienza di conversione della lunghezza d'onda esplorando un fenomeno generalmente indesiderabile ma naturale chiamato stati di superficie dei semiconduttori.
Gli stati di superficie si verificano quando gli atomi di superficie hanno un numero insufficiente di altri atomi a cui legarsi, provocando una rottura della struttura atomica. Questi legami chimici incompleti, noto anche come "legami penzolanti, " causano blocchi stradali per le cariche elettriche che fluiscono attraverso i dispositivi a semiconduttore e influiscono sulle loro prestazioni.
"Ci sono stati molti sforzi per sopprimere l'effetto degli stati superficiali nei dispositivi a semiconduttore senza rendersi conto che hanno proprietà elettrochimiche uniche che potrebbero consentire funzionalità dei dispositivi senza precedenti, " disse Jarrahi, che guida il laboratorio di elettronica Terahertz dell'UCLA.
Fotografia, microscopia, e scansione di immagini al microscopio elettronico di un array di nanoantenne fabbricato posizionato sulla punta di una fibra per la conversione della lunghezza d'onda da ottica a terahertz. Attestazione:Deniz Turan/UCLA
Infatti, poiché questi legami incompleti creano un campo elettrico incorporato superficiale ma gigante attraverso la superficie del semiconduttore, i ricercatori hanno deciso di sfruttare gli stati superficiali per una migliore conversione della lunghezza d'onda.
La luce in entrata può colpire gli elettroni nel reticolo semiconduttore e spostarli verso uno stato energetico più elevato, a quel punto sono liberi di saltare all'interno del reticolo. Il campo elettrico creato sulla superficie del semiconduttore accelera ulteriormente questi fotoeccitati, elettroni ad alta energia, che poi scaricano l'energia extra che hanno guadagnato irradiandola a diverse lunghezze d'onda ottiche, convertendo così le lunghezze d'onda.
Però, questo scambio di energia può avvenire solo sulla superficie di un semiconduttore e deve essere più efficiente. Per risolvere questo problema, il team ha incorporato un array di nanoantenna che piega la luce in entrata in modo che sia strettamente confinata attorno alla superficie poco profonda del semiconduttore.
"Attraverso questo nuovo quadro, la conversione della lunghezza d'onda avviene facilmente e senza alcuna fonte aggiuntiva di energia poiché la luce in ingresso attraversa il campo, " ha detto Deniz Turan, l'autore principale dello studio e membro del laboratorio di ricerca di Jarrahi che si è recentemente laureato con il dottorato in ingegneria elettrica presso l'UCLA Samueli.
I ricercatori hanno convertito con successo ed efficienza un 1, Fascio di luce di lunghezza d'onda di 550 nanometri nella parte terahertz dello spettro, che vanno da lunghezze d'onda di 100 micrometri fino a 1 millimetro. Il team ha dimostrato l'efficienza della conversione della lunghezza d'onda incorporando la nuova tecnologia in una sonda endoscopica che potrebbe essere utilizzata per immagini dettagliate in vivo e spettroscopia utilizzando onde terahertz.
Senza questa svolta nella conversione della lunghezza d'onda, avrebbe richiesto 100 volte il livello di potenza ottica per ottenere le stesse onde terahertz, che le sottili fibre ottiche utilizzate nella sonda endoscopica non sono in grado di supportare. L'anticipo può applicarsi alla conversione della lunghezza d'onda ottica in altre parti dello spettro elettromagnetico, che vanno dalle microonde alle lunghezze d'onda dell'infrarosso lontano.
