Münchenin teknillisen yliopiston (TUM) fyysikko Alexander Holleitnerin ja Reinhard Kienbergerin johtama tiimi on onnistunut ensimmäistä kertaa tuottamaan ultralyhyitä sähköpulsseja sirulle käyttäen mitoiltaan vain muutamien nanometrien kokoisia metalliantenneja. Teknologia mahdollistaa uusien, tehokkaiden terahertsikomponenttien kehittämisen.
Klassinen elektroniikka mahdollistaa jopa 100 gigahertsin taajuudet. Optoelektroniikka käyttää sähkömagneettista säteilyä 10 terahertsistä ylöspäin. Näiden välistä aukkoa kutsutaan terahertsiaukoksi, koska tällaisten signaalien tuottamiseen, muuntamiseen ja havaitsemiseen tarkoitettuja komponentteja on erittäin vaikea toteuttaa.
TUM:n fyysikot onnistuivat tuottamaan sähköisiä pulsseja jopa 10 terahertsin taajuusalueella käyttämällä pieniä plasmoniikkaan perustuvia antenneja ja ajamaan niitä sirupiireillä.
Antennien muoto on tärkeä: ne ovat epäsymmetrisiä. Nanometristen metallirakenteiden toinen puoli on terävämpi kuin toinen. Kun linssin kohdentama laserpulssi virittää antennit, ne emittoivat enemmän elektroneja tyhjiöön niiden terävällä puolella kuin vähemmän terävällä.
Holleitner ja hänen kollegansa tekivät vielä yhden hämmästyttävän havainnon: Sekä sähköinen että terahertsipulssi olivat epälineaarisesti riippuvaisia käytetyn laserin viritystehosta. Tämä osoittaa, että fotomissio antenneissa käynnistyy useiden fotonien absorptiolla valopulssia kohden.
- Tällaisia nopeita, epälineaarisia siruimpulsseja ei ollut tähän asti, Alexander Holleitner sanoo. Tämän vaikutuksen avulla hän toivoo löytävänsä vieläkin nopeampia tunneliemissiovaikutuksia antenneissa ja käyttämään niitä sirujen sovelluksissa.
Rochesterin yliopiston kemian ja fysiikan apulaisprofessori Ignacio Francon ryhmä puolestaan selvitti, kuinka ultranopeita laserpulsseja voidaan käyttää vääristämään aineen ominaisuuksia ja myös synnyttämään sähkövirtoja nopeammin kuin mikään perinteinen tapa nanomittakaavaan sähköisiin piireihin.
Kun erittäin ohutta lasisäiettä käytetään kahden metallin välisenä lankana ja kun siihen kohdistetaan femtosekuntien laserpulssi, muuttuu lasimainen materiaali lyhyeksi ajaksi metallinkaltaiseksi. Laser tuottaa sähkövirran tämän pienen sähköpiirin yli.
Virran synty tapahtuu nopeammin kuin mikä on mahdollista millään perinteisellä tavalla tuottaa sähköä ja ilman jännitettä. Lisäksi virran suuntaa ja suuruutta voidaan säätää yksinkertaisesti muuttamalla laserin muotoa.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 20.7.2018
