来源：新加坡科技设计大学（Singapore University of Technology and Design），编辑：萨迪・哈利（Sadie Harley）, 评审：罗伯特・伊根（Robert Egan）；电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 高慧 编译

该方法利用等离子体谐振器将光转化为集体电子振荡。当这些电子以弹道方式（即不受杂质散射）运动时，它们会像台球一样从器件精心设计的表面反射。部分电子散射返回，而另一些则通过领结形谐振器的中央“颈部”汇聚，从而形成不对称电流并实现倍频效应。图片来源：新加坡科技设计大学(SUTD)

    在一个日益由高速通信和低功耗电子设备驱动的世界中，新加坡国立大学（NUS）与新加坡科技设计大学（SUTD）的研究团队提出了一种全新的方法，通过物质本身的几何结构来操控光。

    他们的研究《弹道电子汇聚产生的非线性光学共振》发表在《ACS纳米》（ACS Nano）上，为弹道电子（像微型台球一样自由运动的电子）如何在不依赖高强度激光或特殊材料的情况下产生非线性光学信号提供了新思路。

    “这一理念简单而强大：通过精确设计纳米级几何结构，我们可以引导电子，使入射光的频率翻倍，”第一作者Hue T.B. Do博士说道。

    与传统非线性材料（通常需要高强度激光才能工作）不同，这种新方法采用领结形的光学谐振器，通过狭窄的结点汇聚电子。

    关键在于这些电子如何在谐振器壁面上散射。当表面光滑时，电子会以可预测的方式反射（即镜面散射现象），使其能够不对称运动并产生二次谐波信号，也就是频率翻倍的光。

    等离子体物理与纳米光子学的结合

    为了研究电子与光之间复杂的相互作用，团队采用了一种非常规的模拟方法：粒子网格（PIC）模型。该方法最初用于等离子体物理中追踪高能粒子在太空和聚变装置中的行为。

    “与将电子视为流体的传统模拟不同，我们的方法逐个追踪每个电子，”新加坡科技设计大学的共同通讯作者Wu Lin教授解释道，“这种动力学方法对于捕捉电子-表面相互作用如何产生非线性效应至关重要。”

    他们的模拟结果显示，二次谐波生成（激光和传感器等光学技术的基石）所需的场强比标准方法低1,000至10,000倍。这意味着可以使用紧凑、低功率的红外光源（如便携式传感器或下一代无线系统）实现倍频。

    迈向可调谐太赫兹光子学

    除了理论上的优雅，团队的研究还为构建纳米级太赫兹（THz）整流器和光电探测器提供了实用的设计指导。他们提出的器件无需外加电压即可工作，并且可以通过调整领结结构的角度和宽度进行精细调谐。

    石墨烯（一种以卓越导电性和可调谐性著称的二维材料）是实验实现此类器件的理想候选。其他高迁移率半导体也可能受益于相同的原理。

    “我们的研究表明，即使没有传统结点或掺杂，仅通过控制结构形状也能实现整流和上变频，”新加坡国立大学材料科学与工程系的共同通讯作者Michel Bosman教授表示。

    实验路线图

    研究人员现正呼吁实验科学家加入这一研究。他们认为观测该效应所需的条件已具备。镜面散射可通过清洁蚀刻技术或静电掺杂实现，而所需的光强已可通过现有中红外光源达到。

    “这项工作为高效、无源光学器件打开了大门，未来或将为可穿戴传感器、红外能量收集器或低功耗无线接收器提供动力，” Do博士说，“同样令人兴奋的是，它展示了重新审视等离子体物理工具如何在纳米光子学中带来意外发现。”

    更多信息：Hue T. B. Do et al, Nonlinear Optical Resonances from Ballistic Electron Funnelling, ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c00169