Metamateriales para la era de los terahercios

Un equipo internacional de investigación, formado por científicos del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología y la JMU de Würzburg, ha encontrado una forma de generar radiación de terahercios mediante la conversión de frecuencias mucho más eficiente que con las tecnologías anteriores. Un sistema de materiales cuánticos especialmente construido actúa como un potenciador de frecuencia de alta eficiencia.

Las ondas de terahercios son ondas electromagnéticas de alta frecuencia situadas entre las microondas y los infrarrojos. En el futuro, podrían acelerar las aplicaciones optoelectrónicas y sustituir a las actuales tecnologías de gigahercios en las comunicaciones. Con velocidades de reloj mil veces superiores, la gama de terahercios facilita una transferencia de datos extremadamente rápida y podría ofrecer una base para las redes de comunicación móvil de sexta generación. Pero antes hay que superar obstáculos técnicos. La gama de terahercios aún no se ha investigado lo suficiente: faltan componentes adecuados; en la actualidad, muchos sistemas sólo pueden utilizarse en su forma actual en laboratorios especiales y en combinación con láseres de alto rendimiento. Por ello, los investigadores están investigando soluciones para la práctica.

"La gama de frecuencias de terahercios es precisamente la frontera de la electrónica ultrarrápida en la que muchos fenómenos cuánticos apenas explorados adquieren relevancia. Para los nuevos componentes optoelectrónicos, primero tenemos que averiguar qué materiales y métodos son adecuados", afirma el Dr. Sergey Kovalev, jefe de grupo de la instalación de terahercios TELBE del Instituto de Física de la Radiación del HZDR, responsable de los experimentos. La fuente TELBE está diseñada para la investigación de nuevos materiales y sus interacciones con pulsos intensos de terahercios.

Cien veces más potencia

Algunos materiales cuánticos son especialmente prometedores, ya que pueden utilizarse como una especie de potenciadores de frecuencia para convertir la radiación de gigahercios generada electrónicamente en la gama de terahercios vecina. Esto se consigue gracias a una interacción no lineal de alta eficacia entre la luz y la materia: el fuerte campo eléctrico del pulso intensivo de gigahercios acelera los electrones libres de la materia que, a su vez, emiten pulsos de luz a altas frecuencias. Hasta ahora, el problema era que una irradiación muy intensa hacía que los materiales perdieran casi toda su potencia en el proceso de aceleración.

Ahora, utilizando un nuevo sistema de materiales, el equipo de investigación consiguió convertir una parte significativa de la intensa radiación de gigahercios -la radiación entrante tenía una frecuencia de 500 gigahercios (GHz)- en el rango de los terahercios. Para ello, combinaron un denominado aislante topológico con estructuras de oro, creando así un metamaterial, es decir, un material con una estructura a medida caracterizada por propiedades ópticas, eléctricas o magnéticas especiales. De este modo, lograron una eficiencia de conversión de casi el diez por ciento de la intensidad del campo eléctrico, en comparación con el uno por ciento anterior.

Electrónica 2D, refrigeración 3D

"Empezamos utilizando el grafeno porque tiene una estructura electrónica particular que permite acelerar los electrones de forma muy eficiente. Pero entonces observamos que, a altas intensidades, el grafeno alcanza sus límites", explica el Dr. Jan-Christoph Deinert, coautor del estudio y responsable de la fuente de terahercios TELBE. El grafeno ultrafino está compuesto por una sola capa de átomos de carbono. Cuando un pulso de giga o terahercios incide sobre el material, el sistema de electrones se calienta inmediatamente hasta varios miles de grados centígrados. En este estado caliente, sin embargo, el grafeno se vuelve transparente para la radiación entrante. Para poder interactuar y convertir las señales, el material tiene que enfriarse, y hacerlo en una trillonésima de segundo, el periodo de oscilación del campo de terahercios. De lo contrario, la señal se pierde en el intervalo.

Dado que los electrones calientes del grafeno no tienen suficientes oportunidades para desprenderse de su exceso de calor, los investigadores probaron el prototipo de aislante topológico seleniuro de bismuto. Internamente, los aislantes topológicos no conducen la corriente eléctrica, mientras que los electrones sólo pueden moverse libremente en la superficie. Por tanto, al igual que el grafeno, la conversión de la señal electrónica tiene lugar en dos dimensiones exclusivamente en la capa superior. A diferencia del grafeno, el calor electrónico puede emitirse muy rápidamente a través de la interacción interna casi instantánea con los electrones en el grueso del material. El resultado es un enfriamiento rápido en 3D en lugar de una acumulación de calor en 2D.

"Incluso a temperatura ambiente, el sistema es extremadamente eficiente. Y aún no hemos alcanzado los límites: probablemente podamos incluso aumentar el rendimiento para intensidades más altas", estima el Dr. Georgy Astakhov, jefe del Departamento de Materiales y Tecnología Cuántica del Instituto de Física de Rayos de Iones e Investigación de Materiales del HZDR y uno de los iniciadores del estudio.

"Material Lego" para alcanzar un rendimiento óptimo

Las altas intensidades de radiación en la muestra se consiguen mediante la deposición de vapor de oro sobre los aislantes topológicos. Al igual que las pequeñas antenas, mejoran localmente los campos eléctricos entrantes. "Ya habíamos utilizado este enfoque en el grafeno. Ahora combinamos las estructuras de las antenas con los aislantes topológicos. Es un poco como el material Lego", dice Klaas-Jan Tielrooij, cuyo equipo en Barcelona aplica las estructuras de oro. Los aislantes topológicos se han cultivado en laboratorios especializados de Würzburg, en el marco de una colaboración con el clúster de excelencia ct.qmat, que estudia nuevos materiales y fenómenos cuánticos exóticos.

El siguiente paso que quieren dar los investigadores es optimizar los prototipos de metamateriales recién construidos: quieren entender mejor qué parámetros son decisivos, hasta qué intensidad de radiación funciona el proceso y si el grafeno y los aislantes topológicos pueden combinarse funcionalmente. Sobre todo, quieren seguir mejorando el sistema con vistas a posibles aplicaciones y probar condiciones realistas para que, algún día, puedan integrarse en la tecnología de semiconductores común.