非對稱等離激元天線：將促進新型太赫茲電子器件的開發！

導讀

近日，德國慕尼黑工業大學領導的科研團隊首次成功地採用尺寸只有幾個納米的等離激元微型天線，在晶元上生成頻率達10THz超短電脈衝，然後通過晶元運行這些電脈衝，並以一種可控的方式讀取它們。

背景

傳統電子器件的頻率一般可達到100GHz左右。光電子器件採用起始於10THz的電磁波。這一頻率範圍（100GHz ~ 10THz）的電磁波也被稱為「太赫茲波」。

太赫茲波技術的用途卻非常廣泛，例如：射電天文學、醫學、通信、雷達、電子對抗、電磁武器、無損檢測、軍事等諸多領域。為了使大家能夠更直接地了解太赫茲技術的應用，首先讓我們回顧一下筆者以往介紹過的兩個典型案例：

1）美國麻省理工學院的研究人員利用太赫茲技術，對於一本合上的書中的書頁內容進行成像。這樣一來，你無需翻開書本，就可以閱讀其中的內容。

（圖片來源：Barmak Heshmat）

2）俄羅斯莫斯科物理技術學院（MIPT）的科學家與他們的德國和荷蘭同事一起研發出用太赫茲頻段的電磁脈衝切換計算機存儲單元的存儲狀態，比磁感應開關的速度快幾千倍。

（圖片來源:莫斯科物理技術學院）

然而，在太赫茲頻率範圍內生成、轉換、檢測信號的元件卻非常難以實現。

創新

近日，德國慕尼黑工業大學領導的科研團隊首次成功地採用尺寸只有幾個納米的金屬天線，在晶元上生成超短電脈衝，然後在表面之上幾毫米處運行信號，並以一種可控的方式讀取它們。

相關實驗得到了歐洲研究委員會（ERC）的「NanoREAL」項目和「慕尼黑納米系統創新集群」（NIM）的資助。

如下圖所示：從泵浦激光器（左）發射出的飛秒脈衝產生出太赫茲頻率的片上電脈衝。通過右邊的激光器，信息被再一次讀取。

（圖片來源：Christoph Hohmann / NIM, Holleitner / TUM）

TUM 的物理學家 Alexander Holleitner 和 Reinhard Kienberger 成功地採用等離激元微型天線，生成頻率達10THz 的電脈衝，並通過晶元運行這些電脈衝。研究人員之所以稱之為「等離激元」天線，是因為它們的形狀。它們在金屬表面上增加光線強度。

技術

天線的形狀很重要。它們是不對稱的：納米尺寸的金屬結構的一側比另外一側更尖。當透鏡聚焦的激光脈衝激發天線時，天線在較尖的一側發射的電子比較平的另外一側更多。兩個接觸點之間會有電流產生，但是只在天線被激光激發的情況下。

如下圖所示：具有由藍寶石上的黃金製成的非對稱等離激元天線的晶元的電子顯微圖像。

（圖片來源：A. Holleitner / TUM）

論文領導作者 Christoph Karnetzky 表示：「在光電效應中，光脈衝誘發電子從金屬進入真空。所有的光照效果都是在較尖的一側更強，包括我們用於生成少量的電流的光電效應。」

光脈衝僅僅持續幾飛秒（1飛秒只有1秒的一千萬億分之一），相應地，天線中的電脈衝也很短。從技術角度說，這種結構特別有趣，是因為納米天線可被集成到尺寸僅為幾毫米的太赫茲電路中。

Karnetzky稱，通過這種方式，頻率為200THz 的飛秒激光脈衝能在晶元上的電路中生成頻率達10THz超短的太赫茲信號。

研究人員採用藍寶石作為晶元材料，因為它不會受到光學刺激，因此不會產生干擾。考慮到未來的實際應用，他們也採用了在傳統互聯網光纖中應用的波長為1.5微米的激光。

Holleitner 及其同事還有另外一個驚人的發現：電脈衝和太赫茲脈衝都與激光器使用的激勵功率非線性相關。這表明，天線中的光電效應是由每個光脈衝中的多光子吸收觸發的。

價值

這項技術將促進強大的新型太赫茲元件的開發。此外，Alexander Holleitner 稱：「如此快速、非線性的片上脈衝之前一直不存在。」他希望利用這一效應，在天線中探索更快速的隧道發射效應，並將它們應用於晶元。

關鍵字

太赫茲、晶元、激光

參考資料

【1】https://www.tum.de/nc/en/about-tum/news/press-releases/detail/article/34767/

【2】C. Karnetzky, P. Zimmermann, C. Trummer, C. Duque-Sierra, M. W?rle, R. Kienberger, A. Holleitner.Towards femtosecond on-chip electronics based on plasmonic hot electron nano-emitters. Nature Communications June 25, 2018 - DOI: 10.1038/s41467-018-04666-y

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