Schéma du réseau InAs en contact avec un réseau de nanoantennes qui courbe la lumière entrante afin qu'elle soit étroitement confinée autour de la surface peu profonde du semi-conducteur. Le champ électrique géant créé à la surface du semi-conducteur accélère les électrons photo-excités, qui déchargent ensuite l'énergie supplémentaire qu'ils ont gagnée en la rayonnant à différentes longueurs d'onde optiques. Crédit :Deniz Turan/UCLA
Les ingénieurs électriciens de la UCLA Samueli School of Engineering ont développé un moyen plus efficace de convertir la lumière d'une longueur d'onde à une autre, ouvrir la porte à l'amélioration des performances de l'imagerie, systèmes de détection et de communication.
Mona Jarrahi, professeur d'ingénierie électrique et informatique à l'UCLA Samueli, conduit la Communication Nature -recherche publiée.
Trouver un moyen efficace de convertir les longueurs d'onde de la lumière est crucial pour l'amélioration de nombreuses technologies d'imagerie et de détection. Par exemple, la conversion de la lumière entrante en longueurs d'onde térahertz permet l'imagerie et la détection dans des environnements optiquement opaques. Cependant, les cadres de conversion précédents étaient inefficaces et nécessitaient des configurations optiques volumineuses et complexes.
L'équipe dirigée par l'UCLA a conçu une solution pour améliorer l'efficacité de la conversion de longueur d'onde en explorant un phénomène généralement indésirable mais naturel appelé états de surface des semi-conducteurs.
Les états de surface se produisent lorsque les atomes de surface ont un nombre insuffisant d'autres atomes auxquels se lier, provoquant une rupture de la structure atomique. Ces liaisons chimiques incomplètes, également connu sous le nom de « obligations pendantes », " causent des obstacles pour les charges électriques circulant dans les dispositifs à semi-conducteurs et affectent leurs performances.
« De nombreux efforts ont été déployés pour supprimer l'effet des états de surface dans les dispositifs à semi-conducteurs sans se rendre compte qu'ils ont des propriétés électrochimiques uniques qui pourraient permettre des fonctionnalités de dispositif sans précédent, " dit Jarrahi, qui dirige le laboratoire d'électronique Terahertz de l'UCLA.
Photographier, microscopie, et des images de microscopie électronique à balayage d'un réseau de nanoantennes fabriqué placé à l'extrémité d'une fibre pour la conversion de longueur d'onde optique en térahertz. Crédit :Deniz Turan/UCLA
En réalité, puisque ces liaisons incomplètes créent un champ électrique intégré peu profond mais géant à travers la surface du semi-conducteur, les chercheurs ont décidé de tirer parti des états de surface pour une meilleure conversion de longueur d'onde.
La lumière entrante peut frapper les électrons dans le réseau semi-conducteur et les déplacer vers un état d'énergie plus élevé, à quel point ils sont libres de sauter dans le réseau. Le champ électrique créé à travers la surface du semi-conducteur accélère encore ces photo-excités, électrons de haute énergie, qui déchargent ensuite l'énergie supplémentaire qu'ils ont acquise en la rayonnant à différentes longueurs d'onde optiques, convertissant ainsi les longueurs d'onde.
Cependant, cet échange d'énergie ne peut se faire qu'à la surface d'un semi-conducteur et doit être plus efficace. Afin de résoudre ce problème, l'équipe a incorporé un réseau de nanoantennes qui courbe la lumière entrante afin qu'elle soit étroitement confinée autour de la surface peu profonde du semi-conducteur.
« Grâce à ce nouveau cadre, la conversion de longueur d'onde se produit facilement et sans aucune source d'énergie supplémentaire supplémentaire lorsque la lumière entrante traverse le champ, " dit Deniz Turan, l'auteur principal de l'étude et membre du laboratoire de recherche de Jarrahi qui a récemment obtenu son doctorat en génie électrique de l'UCLA Samueli.
Les chercheurs ont converti avec succès et efficacité un 1, Faisceau lumineux de longueur d'onde de 550 nanomètres dans la partie térahertz du spectre, allant de longueurs d'onde de 100 micromètres à 1 millimètre. L'équipe a démontré l'efficacité de la conversion de longueur d'onde en incorporant la nouvelle technologie dans une sonde d'endoscopie qui pourrait être utilisée pour une imagerie et une spectroscopie in vivo détaillées utilisant des ondes térahertz.
Sans cette percée dans la conversion de longueur d'onde, il aurait fallu 100 fois le niveau de puissance optique pour obtenir les mêmes ondes térahertz, que les fibres optiques fines utilisées dans la sonde d'endoscopie ne peuvent supporter. L'avance peut s'appliquer à la conversion de longueur d'onde optique dans d'autres parties du spectre électromagnétique, allant des micro-ondes aux longueurs d'onde de l'infrarouge lointain.
