Engenheiros elanãtricos 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 elanãtrica e de computação na UCLA Samueli, liderou a pesquisa publicada da Nature Communications .

Encontrar uma maneira eficiente de converter comprimentos de onda de luz écrucial 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 a³pticas volumosas e complexas.

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

Os estados desuperfÍcie ocorrem quando os a¡tomos dasuperfÍcie tem um número insuficiente de outros a¡tomos para se ligar, causando uma quebra na estrutura atômica. Essas ligações químicas incompletas, também conhecidas como "ligações pendentes", causam bloqueios de estradas para cargas elanãtricas que fluem atravanãs de dispositivos semicondutores e afetam seu desempenho.

"Tem havido muitos esforços para suprimir o efeito dos estados desuperfÍcie em dispositivos semicondutores sem perceber que eles tem propriedades eletroquímicas únicas que podem permitir funcionalidades de dispositivo sem precedentes", disse Jarrahi, que lidera o Laborata³rio de Eletra´nica Terahertz da UCLA .

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

A luz que entra pode atingir os elanãtrons na rede do semicondutor e movaª-los para um estado de energia superior, ponto em que eles ficam livres para pular dentro da rede. O campo elanãtrico criado atravanãs dasuperfÍcie do semicondutor acelera ainda mais esses elanãtrons fotoexcitados de alta energia, que então descarregam a energia extra que ganharam ao irradia¡-la em diferentes comprimentos de onda a³ticos, convertendo assim os comprimentos de onda.

No entanto, essa troca de energia são pode acontecer nasuperfÍcie 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 dasuperfÍcie rasa do semicondutor .

"Atravanãs 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 elanãtrica engenharia da UCLA Samueli.

Os pesquisadores converteram com sucesso e eficiência um feixe de luz de comprimento de onda de 1.550 nana´metros na parte terahertz do espectro, variando de comprimentos de onda de 100 micra´metros até1 mila­metro. 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 necessa¡rio 100 vezes onívelde potaªncia a³ptica para atingir as mesmas ondas terahertz, que as fibras a³pticas finas usadas na sonda de endoscopia não podem suportar. O avanço pode ser aplicado a  conversão de comprimento de onda a³ptico em outras partes do espectro eletromagnanãtico, variando de microondas a comprimentos de onda infravermelho distante.