Een team onder leiding van de TUM-natuurkundigen Alexander Holleitner en Reinhard Kienberger is er voor het eerst in geslaagd ultrakorte elektrische pulsen op een chip te genereren met metalen antennes van slechts enkele nanometers groot. vervolgens de signalen enkele millimeters boven het oppervlak laten lopen en gecontroleerd weer uitlezen. De technologie maakt de ontwikkeling van nieuwe, krachtige terahertz-componenten.

Klassieke elektronica maakt frequenties tot ongeveer 100 gigahertz mogelijk. Opto-elektronica maakt gebruik van elektromagnetische verschijnselen vanaf 10 terahertz. Dit bereik daartussen wordt de terahertz-gap genoemd, omdat componenten voor signaalopwekking, conversie en detectie zijn uiterst moeilijk te implementeren.

De TUM-fysici Alexander Holleitner en Reinhard Kienberger zijn erin geslaagd elektrische pulsen op te wekken in het frequentiebereik tot 10 terahertz met behulp van kleine, zogenaamde plasmonische antennes en deze over een chip laten lopen. Onderzoekers noemen antennes plasmonisch als hun vorm de lichtintensiteit op de metalen oppervlakken versterkt.

De asymmetrische vorm van de antennes is belangrijk. De ene kant van de metalen constructies ter grootte van een nanometer is spitser dan de andere. Wanneer een lensgerichte laserpuls de antennes bekrachtigt, ze zenden meer elektronen uit aan hun puntige kant dan aan de tegenoverliggende platte. Er vloeit een elektrische stroom tussen de contacten, maar alleen zolang de antennes worden bekrachtigd met het laserlicht.

"Bij foto-emissie, de lichtpuls zorgt ervoor dat elektronen uit het metaal in het vacuüm worden geëmitteerd, " legt Christoph Karnetzky uit, hoofdauteur van de Natuur studie. "Alle lichteffecten zijn sterker aan de scherpe kant, inclusief de foto-emissie die we gebruiken om een ​​kleine hoeveelheid stroom op te wekken."

De lichtpulsen duurden slechts enkele femtoseconden. De elektrische pulsen in de antennes waren dienovereenkomstig kort. Technisch gezien, de structuur is interessant omdat de nano-antennes kunnen worden geïntegreerd in terahertz-circuits van slechts enkele millimeters breed. Op deze manier, een femtoseconde laserpuls met een frequentie van 200 terahertz zou een ultrakort terahertz-signaal kunnen genereren met een frequentie tot 10 terahertz in de circuits op de chip, volgens Karnetzky.

De onderzoekers gebruikten saffier als chipmateriaal omdat het niet optisch gestimuleerd kan worden en, veroorzaakt dus geen interferentie. Met het oog op toekomstige toepassingen, ze gebruikten lasers met een golflengte van 1,5 micron die werden ingezet in traditionele glasvezelkabels voor internet.

Holleitner en zijn collega's deden nog een andere verbazingwekkende ontdekking:zowel de elektrische als de terahertz-pulsen waren niet-lineair afhankelijk van het excitatievermogen van de laser. Dit geeft aan dat de foto-emissie in de antennes wordt getriggerd door de absorptie van meerdere fotonen per lichtpuls.

"Zo snel, niet-lineaire pulsen op de chip bestonden tot nu toe niet, ", zegt Alexander Holleitner. Met dit effect hoopt hij nog snellere tunnelemissie-effecten in de antennes te ontdekken en te gebruiken voor chiptoepassingen.