非对称等离激元天线：将促进新型太赫兹电子器件的开发！

导读

近日，德国慕尼黑工业大学领导的科研团队首次成功地采用尺寸只有几个纳米的等离激元微型天线，在芯片上生成频率达10THz超短电脉冲，然后通过芯片运行这些电脉冲，并以一种可控的方式读取它们。

背景

传统电子器件的频率一般可达到100GHz左右。光电子器件采用起始于10THz的电磁波。这一频率范围（100GHz ~ 10THz）的电磁波也被称为“太赫兹波”。

太赫兹波技术的用途却非常广泛，例如：射电天文学、医学、通信、雷达、电子对抗、电磁武器、无损检测、军事等诸多领域。为了使大家能够更直接地了解太赫兹技术的应用，首先让我们回顾一下笔者以往介绍过的两个典型案例：

1）美国麻省理工学院的研究人员利用太赫兹技术，对于一本合上的书中的书页内容进行成像。这样一来，你无需翻开书本，就可以阅读其中的内容。

（图片来源：Barmak Heshmat）

2）俄罗斯莫斯科物理技术学院（MIPT）的科学家与他们的德国和荷兰同事一起研发出用太赫兹频段的电磁脉冲切换计算机存储单元的存储状态，比磁感应开关的速度快几千倍。

（图片来源：莫斯科物理技术学院）

然而，在太赫兹频率范围内生成、转换、检测信号的元件却非常难以实现。

创新

近日，德国慕尼黑工业大学领导的科研团队首次成功地采用尺寸只有几个纳米的金属天线，在芯片上生成超短电脉冲，然后在表面之上几毫米处运行信号，并以一种可控的方式读取它们。

相关实验得到了欧洲研究委员会（ERC）的“NanoREAL”项目和“慕尼黑纳米系统创新集群”（NIM）的资助。

如下图所示：从泵浦激光器（左）发射出的飞秒脉冲产生出太赫兹频率的片上电脉冲。通过右边的激光器，信息被再一次读取。

（图片来源：Christoph Hohmann / NIM, Holleitner / TUM）

TUM 的物理学家 Alexander Holleitner 和 Reinhard Kienberger 成功地采用等离激元微型天线，生成频率达10THz 的电脉冲，并通过芯片运行这些电脉冲。研究人员之所以称之为“等离激元”天线，是因为它们的形状。它们在金属表面上增加光线强度。

技术

天线的形状很重要。它们是不对称的：纳米尺寸的金属结构的一侧比另外一侧更尖。当透镜聚焦的激光脉冲激发天线时，天线在较尖的一侧发射的电子比较平的另外一侧更多。两个接触点之间会有电流产生，但是只在天线被激光激发的情况下。

如下图所示：具有由蓝宝石上的黄金制成的非对称等离激元天线的芯片的电子显微图像。

（图片来源：A. Holleitner / TUM）

论文领导作者 Christoph Karnetzky 表示：“在光电效应中，光脉冲诱发电子从金属进入真空。所有的光照效果都是在较尖的一侧更强，包括我们用于生成少量的电流的光电效应。”

光脉冲仅仅持续几飞秒（1飞秒只有1秒的一千万亿分之一），相应地，天线中的电脉冲也很短。从技术角度说，这种结构特别有趣，是因为纳米天线可被集成到尺寸仅为几毫米的太赫兹电路中。

Karnetzky称，通过这种方式，频率为200THz 的飞秒激光脉冲能在芯片上的电路中生成频率达10THz超短的太赫兹信号。

研究人员采用蓝宝石作为芯片材料，因为它不会受到光学刺激，因此不会产生干扰。考虑到未来的实际应用，他们也采用了在传统互联网光纤中应用的波长为1.5微米的激光。

Holleitner 及其同事还有另外一个惊人的发现：电脉冲和太赫兹脉冲都与激光器使用的激励功率非线性相关。这表明，天线中的光电效应是由每个光脉冲中的多光子吸收触发的。

价值

这项技术将促进强大的新型太赫兹元件的开发。此外，Alexander Holleitner 称：“如此快速、非线性的片上脉冲之前一直不存在。”他希望利用这一效应，在天线中探索更快速的隧道发射效应，并将它们应用于芯片。

关键字

参考资料

【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. Wörle, 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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