Ballistische elektronengrafiek een nieuwe cursus voor de volgende generatie Terahertz-apparaten

In een wereld die steeds meer wordt aangedreven door snelle communicatie en elektronica met lage kracht, heeft een team van onderzoekers van de National University of Singapore (NUS) en Singapore University of Technology and Design (SUTD) een fundamenteel nieuwe manier voorgesteld om licht te manipuleren met behulp van de geometrie van materie zelf.

Hun onderzoek, “niet -lineaire optische resonanties van ballistische elektronentrechter”, dat was gepubliceerd in ACS nanobiedt een frisse kijk op hoe ballistische elektronen – die die vrij reizen als kleine biljartballen reizen – niet -lineaire optische signalen kunnen genereren zonder intens laservermogen of exotische materialen nodig te hebben.

“Het idee is eenvoudig maar krachtig: door de geometrie op nanoschaal precies goed te ontwerpen, kunnen we elektronen sturen op een manier die de frequentie van inkomend licht verdubbelt,” zei Dr. Hue TB Do, hoofdauteur.

In plaats van te vertrouwen op traditionele niet-lineaire materialen, waarvoor vaak lasers met hoge intensiteit vereisen, gebruikt deze nieuwe methode optische resonatoren in de vorm van strikjes om elektronen door smalle knooppunten te leiden.

De truc ligt in hoe deze elektronen zich verspreiden van de muren van de resonator. Wanneer oppervlakken glad zijn, reflecteren elektronen op een voorspelbare manier – een fenomeen dat bekend staat als spiegelende verstrooiing – waardoor ze asymmetrisch kunnen bewegen en een tweede harmonisch signaal, of licht op twee keer de frequentie genereren.

Plasma -fysica ontmoet nanofotoniek

Om deze ingewikkelde dans van elektronen en licht te bestuderen, wendde het team zich tot een onconventionele simulatiemethode: deeltje-in-cel (PIC) modellering, oorspronkelijk ontwikkeld in plasmakysica om hoge energie-deeltjes in ruimte en fusieapparaten te volgen.

“In tegenstelling tot conventionele simulaties die elektronen behandelen als een vloeistof, volgt onze methode elk elektron afzonderlijk”, legt professor Wu Lin uit, co-corrigerende auteur bij SUTD. “Deze kinetische benadering is essentieel om vast te leggen hoe interacties van elektronenoppervlak niet-lineaire effecten produceren.”

Hun simulaties onthulden dat tweede-harmonische generatie-een hoeksteen van optische technologieën zoals lasers en sensoren-kan plaatsvinden bij veldintensiteiten 1.000 tot 10.000 keer lager dan die vereist met standaardmethoden. Dit betekent dat frequentie-verdubbeling kan worden bereikt met behulp van compacte, low-power infraroodbronnen, zoals die worden gebruikt in draagbare sensoren of draadloze systemen van de volgende generatie.

Op weg naar stembare Terahertz Photonics

Naast de theoretische elegantie biedt het werk van het team praktische ontwerprichtlijnen voor het bouwen van nanoschaal Terahertz (THz) gelijkrichters en fotodetectoren. Hun voorgestelde apparaten werken zonder enige toegepaste spanning en kunnen fijn worden afgestemd door de hoek en breedte van de vlinderdasgeometrie aan te passen.

Grafeen – een 2D -materiaal dat bekend staat om zijn uitzonderlijke geleidbaarheid en afwijzing – is een sterke kandidaat om dergelijke apparaten experimenteel te realiseren. Andere halfgeleiders met een hoge mobiliteit kunnen ook profiteren van dezelfde principes.

“Onze studie toont aan dat u zelfs zonder traditionele knooppunten of doping u kunt bereiken rectificatie en upconversie door eenvoudigweg de vorm van de structuur te beheersen,” zei professor Michel Bosman, co-corrigerende auteur van het NUS Department of Materials Science and Engineering.

Een routekaart voor experiment

De onderzoekers roepen nu experimentalisten op om deel te nemen aan de inspanning. Ze geloven dat de voorwaarden voor het waarnemen van het effect binnen handbereik zijn. Specular-verstrooiing kan worden ontworpen door schone etstechnieken of elektrostatische doping, en de vereiste lichtintensiteit is al haalbaar met behulp van bestaande mid-infraroodbronnen.

“Dit werk opent de deur naar efficiënte, passieve optische apparaten die op een dag draagbare sensoren, infrarood energie-oogstmachines of draadloze ontvangers met een laag vermogen kunnen,” zei Dr. Do. “En misschien net zo opwindend, laat het zien hoe herzieningstools van Plasma -fysica verrassende inzichten kunnen opleveren in nanofotoniek.”