В мире, где все зависит от скоростной связи и энергоэффективной электроники, ученые из Национального университета Сингапура (NUS) и Сингапурского университета технологий и дизайна (SUTD) предложили принципиально новый способ управления светом — с помощью геометрии материала.

Исследование, опубликованное в ACS Nano, показывает, как свободно движущиеся электроны — словно бильярдные шары — могут преобразовывать свет без мощных лазеров или экзотических материалов.

Идея проста, но мощна: если правильно спроектировать наноразмерную структуру, можно заставить электроны удваивать частоту света, — говорит ведущий автор работы, доктор Хью Т. Б. До.

Вместо традиционных материалов, требующих интенсивного лазерного излучения, метод использует оптические резонаторы в форме бабочки.

Электроны, проходя через узкие переходы, отражаются от стенок резонатора.

Если поверхность гладкая, они движутся асимметрично и создают второй гармонический сигнал — свет с удвоенной частотой.

Для моделирования этого процесса ученые применили метод Particle-in-Cell (PIC), изначально разработанный в физике плазмы.

Обычные методы рассматривают электроны как поток, а наш подход отслеживает каждую частицу отдельно, — поясняет профессор Ву Линь из SUTD.

Результаты показали, что удвоение частоты возможно при интенсивностях света в 1000–10 000 раз ниже, чем в стандартных методах.

Это открывает путь к компактным датчикам, инфракрасным источникам и беспроводным системам с низким энергопотреблением.

Устройства на основе этой технологии могут работать без внешнего напряжения — их настройка зависит только от формы резонатора.

Графен, благодаря своей проводимости, идеально подходит для таких экспериментов.

Мы доказали, что даже без сложных структур или примесей можно преобразовывать свет, просто меняя геометрию материала, — говорит профессор Мишель Босман из NUS.

Сейчас ученые ищут экспериментаторов, чтобы проверить теорию на практике.

Чистые поверхности для зеркального отражения электронов можно создать с помощью современных методов травления, а нужная интенсивность света уже достижима в лабораториях.

Этот подход может привести к созданию носимых датчиков, инфракрасных преобразователей или приемников с минимальным энергопотреблением, — говорит доктор До. — И что еще интереснее, он показывает, как методы из физики плазмы могут дать неожиданные результаты в нанофотонике.

Этот метод позволяет создавать компактные и энергоэффективные оптические устройства без дорогих материалов или мощных лазеров. Например:

• Медицина — портативные сенсоры для анализа тканей в реальном времени.
• Связь — более быстрая передача данных в терагерцовом диапазоне.
• Энергетика — преобразование рассеянного тепла в полезный сигнал.

Однако пока все расчеты — лишь моделирование. Реализация зависит от того, удастся ли экспериментально добиться идеально гладких поверхностей для зеркального отражения электронов.

Ранее ученые создали эффективный микрокольцевой резонатор.