Asymmetriske plasmoniske antenner leverer femtosekundimpulser til hurtig optoelektronik

Et team under ledelse af TUM -fysikerne Alexander Holleitner og Reinhard Kienberger er lykkedes for første gang at generere ultrakorte elektriske impulser på en chip ved hjælp af metalantenner, der kun har et par nanometer i størrelse, derefter køre signalerne et par millimeter over overfladen og aflæse dem igen kontrolleret. Teknologien muliggør udvikling af nye, kraftfulde terahertz -komponenter.

Klassisk elektronik tillader frekvenser op til omkring 100 gigahertz. Optoelektronik bruger elektromagnetiske fænomener, der starter ved 10 terahertz. Dette interval imellem kaldes terahertz -hullet, da komponenter til signalgenerering, konvertering og detektion har været ekstremt vanskelig at implementere.

TUM -fysikerne Alexander Holleitner og Reinhard Kienberger lykkedes at generere elektriske impulser i frekvensområdet op til 10 terahertz ved hjælp af små, såkaldte plasmoniske antenner og kører dem over en chip. Forskere kalder antenner for plasmoniske, hvis deres form forstærker lysintensiteten ved metaloverfladerne.

Antennernes asymmetriske form er vigtig. Den ene side af metalkonstruktionerne i nanometerstørrelse er mere spids end den anden. Når en linsefokuseret laserpuls ophidser antennerne, de udsender flere elektroner på deres spidse side end på de modsatte flade. En elektrisk strøm strømmer mellem kontakterne - men kun så længe antennerne er spændte med laserlyset.

"Ved fotoemission, lyspulsen får elektroner til at blive udsendt fra metallet til vakuumet, "forklarer Christoph Karnetzky, hovedforfatter til Natur undersøgelse. "Alle lyseffekter er stærkere på den skarpe side, herunder den fotoemission, som vi bruger til at generere en lille mængde strøm. "

Lyspulserne varede kun få femtosekunder. De elektriske impulser i antennerne var tilsvarende korte. Teknisk set, strukturen er interessant, fordi nano-antennerne kan integreres i terahertz-kredsløb blot flere millimeter på tværs. På denne måde, en femtosekund laserpuls med en frekvens på 200 terahertz kunne generere et ultrakort terahertz-signal med en frekvens på op til 10 terahertz i kredsløbene på chippen, ifølge Karnetzky.

Forskerne brugte safir som spånmateriale, fordi det ikke kan stimuleres optisk og, forårsager således ingen interferens. Med øje for fremtidige applikationer, de brugte 1,5-mikron bølgelængde-lasere indsat i traditionelle internetfiberoptiske kabler.

Holleitner og hans kolleger gjorde endnu en fantastisk opdagelse:Både de elektriske og terahertz-pulser var ikke-lineært afhængige af laserens excitationskraft. Dette indikerer, at fotoemissionen i antennerne udløses af absorptionen af ​​flere fotoner pr. Lyspuls.

"Så hurtigt, ikke-lineære on-chip pulser eksisterede ikke hidtil, "siger Alexander Holleitner. Ved hjælp af denne effekt håber han at opdage endnu hurtigere tunnelemissionseffekter i antennerne og bruge dem til chipapplikationer.