Tecnologia Científica

Os engenheiros dobram a luz para melhorar a conversão do comprimento de onda
A equipe liderada pela UCLA desenvolveu uma solução para aumentar a eficiência de conversão de comprimento de onda , explorando um fenômeno geralmente indesejável, mas natural, chamado de estados de superfície do semicondutor .
Por Universidade da Califórnia, Los Angeles - 30/07/2021


Esquemático da rede InAs em contato com uma matriz de nanoantena que dobra a luz de entrada de forma que fique confinada em torno da superfície rasa do semicondutor. O gigantesco campo elétrico criado na superfície do semicondutor acelera os elétrons fotoexcitados, que então descarregam a energia extra que ganharam ao irradiá-la em diferentes comprimentos de onda óticos. Crédito: Deniz Turan / UCLA

Engenheiros elétricos da Escola de Engenharia UCLA Samueli desenvolveram uma maneira mais eficiente de converter a luz de um comprimento de onda para outro, abrindo a porta para melhorias no desempenho dos sistemas de imagem, sensoriamento e comunicação.

Mona Jarrahi, professora de engenharia elétrica e de computação na UCLA Samueli, liderou a pesquisa publicada da Nature Communications .

Encontrar uma maneira eficiente de converter comprimentos de onda de luz é crucial para o aprimoramento de muitas tecnologias de imagem e detecção. Por exemplo, converter a luz de entrada em comprimentos de onda terahertz permite a geração de imagens e a detecção em ambientes opticamente opacos. No entanto, as estruturas de conversão anteriores eram ineficientes e exigiam configurações ópticas volumosas e complexas.

A equipe liderada pela UCLA desenvolveu uma solução para aumentar a eficiência de conversão de comprimento de onda , explorando um fenômeno geralmente indesejável, mas natural, chamado de estados de superfície do semicondutor .

Os estados de superfície ocorrem quando os átomos da superfície têm um número insuficiente de outros átomos para se ligar, causando uma quebra na estrutura atômica. Essas ligações químicas incompletas, também conhecidas como "ligações pendentes", causam bloqueios de estradas para cargas elétricas que fluem através de dispositivos semicondutores e afetam seu desempenho.

"Tem havido muitos esforços para suprimir o efeito dos estados de superfície em dispositivos semicondutores sem perceber que eles têm propriedades eletroquímicas únicas que podem permitir funcionalidades de dispositivo sem precedentes", disse Jarrahi, que lidera o Laboratório de Eletrônica Terahertz da UCLA .

Na verdade, como essas ligações incompletas criam um campo elétrico interno raso, mas gigante, na superfície do semicondutor, os pesquisadores decidiram aproveitar os estados da superfície para melhorar a conversão do comprimento de onda.

A luz que entra pode atingir os elétrons na rede do semicondutor e movê-los para um estado de energia superior, ponto em que eles ficam livres para pular dentro da rede. O campo elétrico criado através da superfície do semicondutor acelera ainda mais esses elétrons fotoexcitados de alta energia, que então descarregam a energia extra que ganharam ao irradiá-la em diferentes comprimentos de onda óticos, convertendo assim os comprimentos de onda.
 
No entanto, essa troca de energia só pode acontecer na superfície de um semicondutor e precisa ser mais eficiente. Para resolver este problema, a equipe incorporou um arranjo de nanoantena que dobra a luz de entrada para que fique confinada em torno da superfície rasa do semicondutor .

"Através desta nova estrutura, a conversão de comprimento de onda acontece facilmente e sem qualquer fonte extra de energia, conforme a luz que entra atravessa o campo", disse Deniz Turan, o principal autor do estudo e membro do laboratório de pesquisa de Jarrahi que recentemente se formou com seu doutorado em elétrica engenharia da UCLA Samueli.

Os pesquisadores converteram com sucesso e eficiência um feixe de luz de comprimento de onda de 1.550 nanômetros na parte terahertz do espectro, variando de comprimentos de onda de 100 micrômetros até 1 milímetro. A equipe demonstrou a eficiência da conversão de comprimento de onda ao incorporar a nova tecnologia em uma sonda de endoscopia que poderia ser usada para imagens detalhadas in vivo e espectroscopia usando ondas terahertz.

Sem esse avanço na conversão do comprimento de onda, seria necessário 100 vezes o nível de potência óptica para atingir as mesmas ondas terahertz, que as fibras ópticas finas usadas na sonda de endoscopia não podem suportar. O avanço pode ser aplicado à conversão de comprimento de onda óptico em outras partes do espectro eletromagnético, variando de microondas a comprimentos de onda infravermelho distante.

 

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