18.03.2020 - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e. V.

Pimentado con oro

El equipo de investigación presenta un novedoso transmisor de ondas teraherciales

Las ondas terráqueas son cada vez más importantes en la ciencia y la tecnología. Nos permiten desentrañar las propiedades de los materiales del futuro, probar la calidad de la pintura de los automóviles y las envolturas de las pantallas. Pero generar estas ondas sigue siendo un desafío. Un equipo del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), la Universidad Técnica de Dresde y la Universidad de Constanza ha hecho ahora un progreso significativo. Los investigadores han desarrollado un componente de germanio que genera pulsos cortos de terahercios con una propiedad ventajosa: los pulsos tienen un espectro de banda ancha extremo y, por lo tanto, entregan muchas frecuencias de terahercios diferentes al mismo tiempo. Dado que ha sido posible fabricar el componente utilizando métodos ya utilizados en la industria de los semiconductores, el desarrollo promete una amplia gama de aplicaciones en la investigación y la tecnología, como informa el equipo en la revista Light: Science & Applications (DOI: 10.1038/s41377-020-0265-4).

Al igual que la luz, las ondas de terahercios se clasifican como radiación electromagnética. En el espectro, caen justo entre las microondas y la radiación infrarroja. Pero mientras que las microondas y la radiación infrarroja hace tiempo que entraron en nuestra vida cotidiana, las ondas de terahercio apenas comienzan a utilizarse. La razón es que los expertos sólo han sido capaces de construir fuentes razonablemente aceptables para las ondas terráqueas desde principios de la década de 2000. Pero estos transmisores todavía no son perfectos - son relativamente grandes y caros, y la radiación que emiten no siempre tiene las propiedades deseadas.

Uno de los métodos de generación establecidos se basa en un cristal de galio-arseniuro. Si este cristal semiconductor es irradiado con cortos pulsos de láser, se forman portadores de carga de arseniuro de galio. Estas cargas se aceleran aplicando un voltaje que obliga a la generación de una onda de terahercio, básicamente el mismo mecanismo que en un mástil de un transmisor de VHF donde las cargas en movimiento producen ondas de radio.

Sin embargo, este método tiene una serie de inconvenientes: "Sólo puede ser operado con láseres especiales relativamente caros", explica el físico de la HZDR, Dr. Harald Schneider. "Con los láseres estándar del tipo que usamos para las comunicaciones de fibra óptica, no funciona." Otra deficiencia es que los cristales de galio-arseniuro sólo emiten pulsos de terahercios de banda relativamente estrecha y, por lo tanto, una gama de frecuencias restringida, lo que limita considerablemente el área de aplicación.

Los implantes de metales preciosos

Por eso Schneider y su equipo están apostando por otro material: el germanio semiconductor. "Con el germanio podemos usar láseres más baratos conocidos como láseres de fibra", dice Schneider. "Además, los cristales de germanio son muy transparentes y por lo tanto facilitan la emisión de pulsos de muy alta velocidad." Pero, hasta ahora, han tenido un problema: si se irradia germanio puro con un corto pulso de láser, toma varios microsegundos antes de que la carga eléctrica en el semiconductor desaparezca. Sólo entonces el cristal puede absorber el siguiente pulso de láser. Los láseres de hoy en día, sin embargo, pueden disparar sus pulsos a intervalos de unas pocas docenas de nanosegundos - una secuencia de disparos demasiado rápida para el germanio.

Para superar esta dificultad, los expertos buscaron una forma de hacer que las cargas eléctricas del germanio se desvanezcan más rápidamente. Y encontraron la respuesta en un metal precioso prominente: el oro. "Usamos un acelerador de iones para disparar átomos de oro en un cristal de germanio", explica el colega de Schneider, el Dr. Abhishek Singh. "El oro penetró en el cristal a una profundidad de 100 nanómetros." Los científicos calentaron el cristal durante varias horas a 900 grados centígrados. El tratamiento térmico aseguró que los átomos de oro se distribuyeran uniformemente en el cristal de germanio.

El éxito se produjo cuando el equipo iluminó el germanio salpicado con pulsos de láser ultra cortos: en lugar de permanecer en el cristal durante varios microsegundos, los portadores de carga eléctrica desaparecieron de nuevo en menos de dos nanosegundos, unas mil veces más rápido que antes. Hablando en sentido figurado, el oro funciona como una trampa, ayudando a atrapar y neutralizar las cargas. "Ahora el cristal de germanio puede ser bombardeado con pulsos de láser a una alta tasa de repetición y seguir funcionando", se complace en informar Singh.

Es posible una fabricación barata

El nuevo método facilita los pulsos de terahercios con un ancho de banda extremadamente amplio: en lugar de 7 terahercios con la técnica establecida de galio-arseniuro, ahora es diez veces mayor: 70 terahercios. "Obtenemos un amplio y continuo espectro sin obstáculos de un solo golpe", dice Harald Schneider con entusiasmo. "Esto significa que tenemos una fuente realmente versátil a mano que puede ser utilizada para las más diversas aplicaciones." Otro beneficio es que, efectivamente, los componentes de germanio pueden ser procesados con la misma tecnología que se utiliza para los microchips. "A diferencia del arseniuro de galio, el germanio es compatible con el silicio", señala Schneider. "Y como los nuevos componentes pueden ser operados junto con láseres de fibra óptica estándar, podrías hacer la tecnología bastante compacta y barata".

Esto debería convertir al germanio dopado con oro en una opción interesante no sólo para aplicaciones científicas, como el análisis detallado de materiales bidimensionales innovadores como el grafeno, sino también para aplicaciones en medicina y tecnología ambiental. Uno podría imaginar sensores, por ejemplo, que rastrean ciertos gases en la atmósfera por medio de su espectro de terahercios. Las fuentes de terahercios actuales siguen siendo demasiado caras para este propósito. Los nuevos métodos, desarrollados en Dresden-Rossendorf, podrían ayudar a hacer que los sensores ambientales como este sean mucho más baratos en el futuro.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e. V.

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