弹道电子为下一代太赫兹器件开辟了新道路

在一个日益由高速通信和低功耗电子技术驱动的世界里，新加坡国立大学（NUS）和新加坡科技与设计大学（SUTD）的一个研究小组提出了一种利用物质本身的几何形状操纵光的全新方法。

他们的研究“弹道电子漏斗的非线性光学共振”发表在ACS Nano上，为弹道电子——那些像小台球一样自由运动的电子——如何在不需要强激光功率或外来材料的情况下产生非线性光信号提供了新的视角。

主要作者Hue T.B.Do博士说：“这个想法简单但强大：通过正确设计纳米级几何形状，我们可以以使入射光频率加倍的方式引导电子。”。

这种新方法不依赖于通常需要高强度激光才能工作的传统非线性材料，而是使用形状像蝴蝶结的光学谐振腔来引导电子通过窄结。

诀窍在于这些电子如何从谐振器的壁上散射出去。当表面光滑时，电子会以可预测的方式反射，这种现象被称为镜面散射，使它们能够不对称地移动并产生二次谐波信号，即频率为两倍的光。

为了研究这种复杂的电子和光的舞蹈，该团队转向了一种非传统的模拟方法：细胞中的粒子（PIC）建模，最初是在等离子体物理学中开发的，用于跟踪空间和聚变装置中的高能粒子。

“与将电子视为流体的传统模拟不同，我们的方法单独跟踪每个电子，”SUTD的合著者吴林教授解释道。“这种动力学方法对于捕捉电子-表面相互作用如何产生非线性效应至关重要。”

他们的模拟表明，二次谐波产生——激光和传感器等光学技术的基石——可以在比标准方法要求的场强低1000到10000倍的场强下发生。这意味着可以使用紧凑、低功耗的红外源来实现倍频，例如便携式传感器或下一代无线系统中使用的红外源。

除了理论上的优雅之外，该团队的工作还为构建纳米级太赫兹（THz）整流器和光电探测器提供了实用的设计指南。他们提出的设备在没有施加任何电压的情况下运行，可以通过调整领结几何形状的角度和宽度进行微调。

石墨烯——一种以其出色的导电性和可调性而闻名的二维材料——是实验实现此类器件的有力候选者。其他高迁移率半导体也可能受益于相同的原理。

“我们的研究表明，即使没有传统的结或掺杂，你也可以通过控制结构的形状来实现整流和上转换，”新加坡国立大学材料科学与工程系的合著者Michel Bosman教授说。

研究人员现在呼吁实验家加入这一努力。他们认为，观察这种效应的条件是触手可及的。镜面散射可以通过清洁蚀刻技术或静电掺杂来设计，并且使用现有的中红外光源已经可以实现所需的光强度。Do博士说：“这项工作为高效、被动的光学设备打开了大门，这些设备有朝一日可以为可穿戴传感器、红外能量采集器或低功耗无线接收器供电。也许同样令人兴奋的是，它展示了重新审视电浆物理学的工具如何在纳米光子学方面产生令人惊讶的见解。”