Jednoduchý trik s nanopartikly: Až 1,6x silnější terahertzové záření pro superrychlou komunikaci a medicínu

Vědci z Loughborough University pod vedením profesora Marca Pecciantiho objevili překvapivě jednoduchý způsob, jak výrazně zvýšit účinnost terahertzových (THz) zářičů.

Vědci z Loughborough University pod vedením profesora Marca Pecciantiho objevili překvapivě jednoduchý způsob, jak výrazně zvýšit účinnost terahertzových (THz) zářičů. Jejich inovace spočívá v nanesení tenké vrstvy plasmonických nanočástic na spintronické heterostruktury, což otevírá cestu k efektivnějším, kompaktnějším a praktičtějším THz zdrojům pro širokou škálu aplikací, včetně vysokorychlostní komunikace, neinvazivního zobrazování a pokročilé spektroskopie.

Spintronické terahertzové zářiče standardně využívají tenkou, vícevrstvou strukturu, typicky složenou z těžkého kovu, jako je wolfram (W), feromagnetické vrstvy, například železa (Fe), a platinového (Pt) krytu. Když na tuto strukturu dopadne femtosekundový laserový puls, rychle zahřeje elektrony a prostřednictvím efektů spin-orbitálního momentu hybnosti generuje čistý spinový proud. Tento spinový proud se na rozhraních přeměňuje na širokopásmové terahertzové záření, čímž odpadá potřeba objemných fázově přizpůsobujících krystalů používaných v tradiční optické rektifikaci. Systém je elegantní a škálovatelný, avšak většina laserového světla se odrazí nebo projde, aniž by se účinně navázala na magnetickou vrstvu, což omezuje injekci spinu a výstupní výkon THz záření.

Nový přístup spočívá v kapkovém nanášení řídké vrstvy – pouhých 6 % pokrytí povrchu – nanočástic s jádrem z oxidu křemičitého a zlatým pláštěm přímo na strukturu. Tyto plasmonické nanostruktury fungují jako ultrarychlé antény: když na ně dopadne laser, excitují lokalizované povrchové plasmony, čímž vytvářejí intenzivní elektromagnetické hotspoty, které přesně směrují energii do feromagnetu pod nimi. To výrazně zvyšuje akumulaci spinu. V experimentech se špičkové pole THz záření zvýšilo 1,1 až 1,6krát ve srovnání s holou strukturou, přičemž nejsilnější emise byla pozorována při kolmém dopadu a jasné závislosti na úhlu.

I při takto řídkém pokrytí se účinek ukázal jako konzistentní napříč destičkami, což naznačuje průmyslový potenciál bez nutnosti složité litografie. Průměrné zisky napříč destičkami naznačují, že optimalizované návrhy by mohly přinést ještě vyšší výkony. Jednoduchost kapkového nanášení navíc usnadňuje rychlé prototypování v laboratořích po celém světě. Terahertzové záření vyplňuje takzvanou „THz mezeru“ mezi mikrovlnami a infračerveným zářením, což umožňuje neionizující zobrazování, detekci výbušnin, farmaceutickou analýzu a datové rychlosti přesahující 6G. Současné zdroje zůstávají objemné nebo mají nízký výkon; nová hybridní spintronicko-plasmonická cesta přináší stolní efektivitu za nižší cenu. Ladění velikosti nanočástic, tloušťky pláště nebo hustoty by mohlo vést k užším šířkám pásma nebo vyšším výkonům, což otevírá dveře pro vývoj zobrazovacích polí nebo bezdrátových spojení.