Nuevo sistema de materiales desarrollado para convertir y generar ondas de terahercios para las tecnologías del mañana

En el espectro electromagnético, la luz de terahercios se encuentra entre la radiación infrarroja y las microondas. Tiene un enorme potencial para las tecnologías del mañana: entre otras cosas, podría tener éxito en 5G al permitir conexiones de comunicaciones móviles y redes inalámbricas extremadamente rápidas. El cuello de botella en la transición de frecuencias de gigahercios a terahercios ha sido causado por fuentes y convertidores insuficientemente eficientes. Un equipo de investigación germano-español con la participación del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha desarrollado ahora un sistema de materiales para generar pulsos de terahercios de forma mucho más eficaz que antes. Está basado en grafeno, es decir, una hoja de carbono superfina, revestida con una estructura laminar metálica. El grupo de investigación presentó sus resultados en la revista ACS Nano.

Hace algún tiempo, un equipo de expertos que trabajaba en el acelerador HZDR ELBE pudo demostrar que el grafeno puede actuar como un multiplicador de frecuencia: cuando el carbono bidimensional se irradia con pulsos de luz en el rango de frecuencia de terahercios bajos, estos se convierten en frecuencias. Hasta ahora, el problema ha sido que se requerían señales de entrada extremadamente fuertes, que a su vez solo podían ser producidas por un acelerador de partículas a gran escala, para generar pulsos de terahercios de manera eficiente. “Esto es obviamente poco práctico para futuras aplicaciones técnicas”, explica el el autor principal del estudio, Jan-Christoph Deinert, del Instituto de Física de la Radiación en HZDR. “Entonces, buscamos un sistema de materiales que también funcione con una entrada mucho menos violenta, es decir, con intensidades de campo más bajas”.

Para ello, los científicos de HZDR, junto con colegas del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), la Universidad de Bielefeld, TU Berlín y el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros con sede en Mainz, Se le ocurrió una nueva idea: la conversión de frecuencia podría mejorarse enormemente recubriendo el grafeno con diminutas laminillas de oro, que poseen una propiedad fascinante: “Actúan como antenas que amplifican significativamente la radiación de terahercios entrante en el grafeno”, explica el coordinador del proyecto Klaas- Jan Tielrooij de ICN2. “Como resultado, obtenemos campos muy fuertes donde el grafeno está expuesto entre las laminillas. Esto nos permite generar pulsos de terahercios de manera muy eficiente “.

Multiplicación de frecuencias sorprendentemente eficaz

Para probar la idea, los miembros del equipo de ICN2 en Barcelona produjeron muestras: primero, aplicaron una sola capa de grafeno a un soporte de vidrio. En la parte superior, depositaron al vapor una capa aislante ultrafina de óxido de aluminio, seguida de una red de tiras de oro. Luego, las muestras se llevaron a la instalación de terahercios de TELBE en Dresden-Rossendorf, donde recibieron pulsos de luz en el rango de terahercios bajos (0,3 a 0,7 THz). Durante este proceso, los expertos utilizaron detectores especiales para analizar la eficacia con la que el grafeno recubierto de láminas de oro puede multiplicar la frecuencia de la radiación incidente.

“Funcionó muy bien”, se complace en informar Sergey Kovalev. Es responsable de las instalaciones de TELBE en HZDR. “En comparación con el grafeno no tratado, las señales de entrada mucho más débiles fueron suficientes para producir una señal de frecuencia multiplicada”. Expresado en números, solo una décima parte de la intensidad de campo requerida originalmente fue suficiente para observar la multiplicación de frecuencias. Y a intensidades de campo bajas tecnológicamente relevantes, la potencia de los pulsos de terahercios convertidos es más de mil veces más fuerte gracias al nuevo sistema de materiales. Cuanto más anchas son las laminillas individuales y más pequeñas las áreas de grafeno que quedan expuestas, más pronunciado es el fenómeno. Inicialmente, los expertos pudieron triplicar las frecuencias entrantes. Más tarde, lograron efectos aún mayores: aumentos de cinco, siete e incluso nueve veces en la frecuencia de entrada.

Compatible con tecnología de chip

Esto ofrece una perspectiva muy interesante, porque hasta ahora los científicos han necesitado dispositivos grandes y complejos como aceleradores o láseres grandes para generar ondas de terahercios. Gracias al nuevo material, también podría ser posible lograr el salto de gigahercios a terahercios puramente con señales de entrada eléctricas, es decir, con mucho menos esfuerzo. “Nuestro metamaterial basado en grafeno sería bastante compatible con la tecnología de semiconductores actual”, enfatiza Deinert. “En principio, podría integrarse en chips ordinarios”. Él y su equipo han demostrado la viabilidad del nuevo proceso; ahora puede ser posible la implementación en ensamblajes específicos.

Las aplicaciones potenciales podrían ser vastas: dado que las ondas de terahercios tienen frecuencias más altas que las frecuencias de comunicaciones móviles de gigahercios que se usan hoy en día, podrían usarse para transmitir significativamente más datos inalámbricos: 5G se convertiría en 6G. Pero el rango de terahercios también es de interés para otros campos, desde el control de calidad en la industria y los escáneres de seguridad en los aeropuertos hasta una amplia variedad de aplicaciones científicas en la investigación de materiales, por ejemplo.

Referencia: “Metamaterial de grafeno como plataforma para fotónica no lineal de terahercios” por Jan-Christoph Deinert, David Alcaraz Iranzo, Raúl Pérez, Xiaoyu Jia, Hassan A. Hafez, Igor Ilyakov, Nilesh Awari, Min Chen, Mohammed Bawatna, Alexey N . Ponomaryov, Semyon Germanskiy, Mischa Bonn, Frank HL Koppens, Dmitry Turchinovich, Michael Gensch, Sergey Kovalev y Klaas-Jan Tielrooij, 11 de diciembre de 2020, ACS Nano.
DOI: 10.1021 / acsnano.0c08106