Un paso más cerca de la usabilidad real de la tecnología de terahercios

Un paso más cerca de la usabilidad real de la tecnología de terahercios


23 de mayo de 2022

(Noticias de Nanowerk) Un equipo de científicos del laboratorio Cavendish junto con colegas de las Universidades de Augsburgo (Alemania) y Lancaster han descubierto un nuevo efecto físico cuando los sistemas de electrones bidimensionales se exponen a ondas de terahercios.

En primer lugar, ¿qué son las ondas de terahercios? “Nos comunicamos a través de teléfonos celulares que emiten radiación de microondas y usamos cámaras infrarrojas para la visión nocturna. El terahercio es el tipo de radiación electromagnética que se encuentra entre las microondas y la radiación infrarroja», explica el profesor David Ritchie, líder del grupo de física de semiconductores del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, «pero actualmente faltan fuentes y detectores para este tipo de radiación, que sería barata, eficiente y fácil de gestionar. Esto dificulta el uso generalizado de la tecnología de terahercios”.

Investigadores del grupo de Física de Semiconductores, junto con investigadores de Pisa y Turín en Italia, fueron los primeros en demostrar en 2002 el funcionamiento de un láser a frecuencias de terahercios, un láser de cascada cuántica. Desde entonces, el grupo ha continuado investigando la física y la tecnología de los terahercios, y actualmente está estudiando y desarrollando dispositivos funcionales de terahercios que incorporan metamateriales para formar moduladores, así como nuevos tipos de detectores. Un detector de terahercios después de la fabricación. Un detector de terahercios después de la fabricación. (Imagen: Vladislav Mikhailov)

Si se abordara la escasez de dispositivos viables, la radiación de terahercios podría tener muchas aplicaciones útiles en seguridad, ciencia de materiales, comunicaciones y medicina. Por ejemplo, las ondas de terahercios permiten obtener imágenes de tejido canceroso que no serían visibles a simple vista. Se pueden utilizar en las nuevas generaciones de escáneres de aeropuerto rápidos y seguros, lo que permite distinguir los medicamentos de las drogas ilegales y los explosivos, y podrían permitir una comunicación inalámbrica aún más rápida que el estado actual de la técnica.

Entonces, ¿de qué se trata el último descubrimiento? «Estábamos en el proceso de desarrollar un nuevo tipo de detector de terahercios», dice el Dr. Vladislav Mikhailov, investigador junior en el Trinity College de Cambridge, «pero al medir su desempeño se encontró que mostraba una señal mucho más fuerte de lo que teóricamente cabría esperar. Así que se nos ocurrió una nueva explicación”.

Esta explicación, dicen los científicos, radica en la forma en que la luz interactúa con la materia. A altas frecuencias, la materia absorbe la luz en forma de partículas individuales: fotones. Esta interpretación, propuesta por primera vez por Einstein, formó la base de la mecánica cuántica y pudo explicar el efecto fotoeléctrico. Esta fotoexcitación cuántica captura la luz de las cámaras de nuestros teléfonos inteligentes; También es lo que genera electricidad a partir de la luz en las células solares.

El conocido efecto fotoeléctrico consiste en la liberación de electrones de un material conductor -un metal o un semiconductor- por fotones incidentes. En el caso tridimensional, los electrones pueden ser expulsados ​​al vacío por fotones en el rango ultravioleta o de rayos X, o liberados en un dieléctrico en el rango del infrarrojo medio al visible.

La novedad radica en el descubrimiento de un proceso de fotoexcitación cuántica en el rango de los terahercios, similar al efecto fotoeléctrico. «No se ha entendido que tales efectos puedan existir dentro de gases de electrones bidimensionales altamente conductores a frecuencias mucho más bajas», explica Wladislaw, primer autor del estudio, «pero pudimos demostrarlo experimentalmente».

La teoría cuantitativa del efecto fue desarrollada por un colega de la Universidad de Augsburgo, Alemania, y el equipo de investigación internacional publicó sus hallazgos en avances científicos («Un efecto fotoeléctrico en el plano en sistemas de electrones bidimensionales para la detección de terahercios»).

Los investigadores llamaron al fenómeno «efecto fotoeléctrico en el plano». En la publicación correspondiente, los científicos describen varias ventajas de usar este efecto para la detección de terahercios.

En particular, la magnitud de la fotorrespuesta producida por la radiación de terahercios incidente a través del «efecto fotoeléctrico en el plano» es mucho mayor que la esperada de otros mecanismos previamente conocidos por producir una fotorrespuesta de terahercios. Por lo tanto, los científicos esperan que este efecto permita la producción de detectores de terahercios con una sensibilidad mucho mayor.

«Esto nos acerca un paso más a la usabilidad real de la tecnología de terahercios», concluye el Prof. Ritchie.



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