Инженеры изгибают свет для улучшения преобразования длины волны

Схема решетки InAs в контакте с решеткой наноантенн, которая изгибает падающий свет так, чтобы он плотно ограничивался мелкой поверхностью полупроводника. Гигантское электрическое поле, создаваемое на поверхности полупроводника, ускоряет фотовозбужденные электроны, которые затем выгружают дополнительную энергию, которую они получили, излучая ее на разных длинах оптических волн. Предоставлено: Дениз Туран / Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе.

Мона Джаррахи, профессор электротехники и вычислительной техники в Калифорнийском университете Самуэли, возглавляла Nature Communications-опубликованные исследования.

Поиск эффективного способа преобразования длин волн света имеет решающее значение для улучшения многих технологий визуализации и зондирования. Например, преобразование входящего света в волны терагерцового диапазона позволяет создавать изображения и воспринимать в оптически непрозрачных средах. Однако предыдущие системы преобразования были неэффективными и требовали громоздких и сложных оптических установок.

Команда под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработала решение для повышения эффективности преобразования длины волны, исследуя обычно нежелательное, но естественное явление, называемое состояниями поверхности полупроводников.

Поверхностные состояния возникают, когда поверхностные атомы имеют недостаточное количество других атомов для связывания, вызывая нарушение атомной структуры. Эти неполные химические связи, также известные как «оборванные связи», препятствуют прохождению электрических зарядов через полупроводниковые устройства и влияют на их работу.

«Было много попыток подавить влияние поверхностных состояний в полупроводниковых устройствах, не осознавая, что они обладают уникальными электрохимическими свойствами, которые могут обеспечить беспрецедентную функциональность устройств», — сказал Джаррахи, возглавляющий лабораторию терагерцовой электроники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Фактически, поскольку эти неполные связи создают неглубокое, но гигантское встроенное электрическое поле на поверхности полупроводника, исследователи решили воспользоваться преимуществами поверхностных состояний для улучшения преобразования длины волны.

Входящий свет может поразить электроны в решетке полупроводника и переместить их в более высокое энергетическое состояние, после чего они могут свободно прыгать внутри решетки. Электрическое поле, создаваемое на поверхности полупроводника, дополнительно ускоряет эти фотовозбужденные высокоэнергетические электроны, которые затем выгружают дополнительную энергию, которую они получили, излучая ее на разных длинах оптических волн, тем самым преобразуя длины волн.

Однако этот энергообмен может происходить только на поверхности полупроводника и должен быть более эффективным. Чтобы решить эту проблему, команда включила решетку наноантенн, которая изгибает падающий свет, чтобы он плотно ограничивался мелкой поверхностью полупроводника.

«Благодаря этой новой структуре преобразование длины волны происходит легко и без какого-либо дополнительного источника энергии, когда входящий свет пересекает поле», — сказал Дениз Туран, ведущий автор исследования и член исследовательской лаборатории Джаррахи, который недавно получил докторскую степень в области электротехники. инжиниринг из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Самуэли.

Фотография, микроскопия и изображения сканирующей электронной микроскопии изготовленной решетки наноантенн, помещенной на конце волокна для преобразования длины волны из оптического диапазона в терагерцовый. Предоставлено: Дениз Туран / Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе.

Исследователи успешно и эффективно преобразовали световой луч с длиной волны 1550 нанометров в терагерцовую часть спектра, от 100 микрометров до 1 миллиметра. Команда продемонстрировала эффективность преобразования длины волны, включив новую технологию в эндоскопический зонд, который можно использовать для детальной визуализации in vivo и спектроскопии с использованием терагерцовых волн.

Без этого прорыва в преобразовании 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. Достижения могут быть применены к преобразованию оптических длин волн в других частях электромагнитного спектра, от микроволнового до дальнего инфракрасного диапазона.