研究人員利用不對稱的金屬天線在晶元上產生了飛秒脈衝

由慕尼黑工業大學(TUM)物理學家Alexander Holleitner和Reinhard Kienberger領導的團隊首次成功地使用僅幾納米尺寸的金屬天線在晶元上生成超短電脈衝，然後將信號控制在表面上傳輸幾毫米並讀取它們（Nature Communications，「Towards femtosecond on-chip electronics based on plasmonic hot electron nano-emitters」）。該技術可以開發新型功能強大的太赫茲組件。

傳統的電子器件能夠承載約100千兆赫的頻率。光電子學中使用的電磁現象中的頻率在10太赫茲以上。這兩者之間的範圍被稱為太赫茲間隙，因為在這個範圍，信號生成，轉換和探測對應的器件很難實現。

TUM的物理學家Alexander Holleitner和Reinhard Kienberger利用微小的所謂等離子體天線成功地產生了頻率範圍高達10太赫茲的電脈衝，並在晶元上運行它們。研究人員稱為天線等離子體激元，由於它們的形狀而增強了金屬表面的光強度。

圖中左側的泵浦激光器產生的飛秒波長的脈衝可以激發晶元產生太赫茲頻率範圍的電脈衝。利用圖中右側的激光器可以讀取電脈衝攜帶的信息。 （圖片來源：Christoph Hohmann / NIM，Alexander Holleitner / TUM）

不對稱天線

天線的形狀很重要。它們是不對稱的：納米尺寸金屬結構的一側比另一側更尖。當一個透鏡聚焦的激光脈衝激發天線時，它們在尖端發射的電子比相對平緩的另一側發射的更多。電流在觸點之間流動 - 但只要天線被激光激發即可。

「在光電子發射中，光脈衝導致電子從金屬發射到真空中，」該論文的主要作者Christoph Karnetzky解釋說。「在尖的一側，所有的光照效果都比較強烈，包括我們用來產生少量電流的光電效應。」

超短波太赫茲信號

光脈衝只持續幾飛秒。天線中的電脈衝也相應地比較短。從技術上講，這種結構特別有趣，因為納米天線可以被集成到僅僅幾毫米寬的太赫茲電路中。

根據Karnetzky的說法，這樣一個頻率為200太赫茲的飛秒激光脈衝信號，可以在晶元上的電路中產生頻率高達10太赫茲的超短太赫茲信號。

圖示為在藍寶石上用金製成的非對稱等離子體天線晶元的電子顯微圖像。（圖片來源：Alexander Holleitner / TUM）

研究人員使用藍寶石作為晶元材料，因為它不能被光學激發，因此不會造成干擾。考慮到未來的應用，他們採用的是在傳統互聯網光纖電纜中所使用的1.5微米波長的激光。

一個驚人的發現

Holleitner和他的同事們又有了一個驚人的發現：電子和太赫茲脈衝都非線性地依賴於所用激光的激發功率。 這表明天線中的光電發射是由每個光脈衝吸收多個光子所觸發的。

「迄今為止，這種快速的非線性片上脈衝並不存在，」Alexander Holleitner說。利用這種效應，他希望能夠在天線中發現更快的隧道發射效應，並將其用於晶元應用。

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