Los pulsos electromagnéticos que duran una millonésima de millonésima de segundo pueden ser la clave de los avances en imágenes médicas, comunicaciones y desarrollo de fármacos. Pero los pulsos llamadas ondas de terahercios, Durante mucho tiempo han requerido equipos elaborados y costosos para su uso.

Ahora, Los investigadores de la Universidad de Princeton han reducido drásticamente gran parte de ese equipo:pasando de una configuración de mesa con láseres y espejos a un par de microchips lo suficientemente pequeños como para caber en la punta de un dedo.

En dos artículos publicados recientemente en el Revista IEEE de circuitos de estado sólido , los investigadores describen un microchip que puede generar ondas de terahercios, y un segundo chip que puede capturar y leer detalles intrincados de estas ondas.

"El sistema se realiza con la misma tecnología de chip de silicio que alimenta todos los dispositivos electrónicos modernos, desde teléfonos inteligentes hasta tabletas, y, por lo tanto, cuesta solo unos pocos dólares para hacer a gran escala ", dijo el investigador principal Kaushik Sengupta, un profesor asistente de Princeton de ingeniería eléctrica.

Las ondas de terahercios son parte del espectro electromagnético, la amplia clase de ondas que incluye radio, Rayos X y luz visible, y se sientan entre las bandas de ondas de luz infrarroja y de microondas. Las olas tienen unas características únicas que las hacen interesantes para la ciencia. Para uno, atraviesan la mayor parte del material no conductor, para que se puedan usar para mirar a través de la ropa o las cajas con fines de seguridad, y porque tienen menos energía que los rayos X, no dañan el tejido ni el ADN humanos.

Las ondas de terahercios también interactúan de distintas formas con diferentes sustancias químicas, por lo que se pueden utilizar para caracterizar sustancias específicas. Conocido como espectroscopia, La capacidad de utilizar ondas de luz para analizar material es una de las aplicaciones más prometedoras y más desafiantes de la tecnología de terahercios. Dijo Sengupta.

Para hacerlo, Los científicos proyectan una amplia gama de ondas de terahercios en un objetivo y luego observan cómo cambian las ondas después de interactuar con él. El ojo humano realiza un tipo similar de espectroscopía con luz visible:vemos una hoja verde porque la luz en la frecuencia de la luz verde rebota en la hoja cargada de clorofila.

El desafío ha sido que generar una amplia gama de ondas de terahercios e interpretar su interacción con un objetivo requiere un conjunto complejo de equipos, como generadores voluminosos de terahercios o láseres ultrarrápidos. El tamaño y el costo del equipo hacen que la tecnología no sea práctica para la mayoría de las aplicaciones.

Los investigadores han estado trabajando durante años para simplificar estos sistemas. En septiembre, El equipo de Sengupta informó una forma de reducir el tamaño del generador de terahercios y el aparato que interpreta las ondas de retorno en un chip de tamaño milimétrico. La solución radica en volver a imaginar cómo funciona una antena. Cuando las ondas de terahercios interactúan con una estructura metálica dentro del chip, crean una distribución compleja de campos electromagnéticos que son exclusivos de la señal incidente. Típicamente, estos campos sutiles se ignoran, pero los investigadores se dieron cuenta de que podían leer los patrones como una especie de firma para identificar las ondas. Todo el proceso se puede lograr con pequeños dispositivos dentro del microchip que leen ondas de terahercios.

"En lugar de leer directamente las olas, estamos interpretando los patrones creados por las olas, "Dijo Sengupta." Es algo así como buscar un patrón de gotas de lluvia por las ondas que hacen en un estanque ".

Daniel Mittleman, profesor de ingeniería en la Universidad de Brown, dijo que el desarrollo era "un trabajo muy innovador, y potencialmente tiene mucho impacto ". Mittleman, quien es el vicepresidente de la Sociedad Internacional de Ondas Milimétricas y Teraherciosas Infrarrojas, dijo que los científicos aún tienen trabajo por hacer antes de que la banda de terahercios pueda comenzar a usarse en dispositivos cotidianos, pero los desarrollos son prometedores.

"Es un rompecabezas muy grande con muchas piezas, y este es solo uno, pero es muy importante, "dijo Mittleman, que está familiarizado con el trabajo pero no tuvo ningún papel en él.

En el extremo de la generación de terahercios, gran parte del desafío es crear una amplia gama de longitudes de onda dentro de la banda de terahercios, particularmente en un microchip. Los investigadores se dieron cuenta de que podían superar el problema generando múltiples longitudes de onda en el chip. Luego utilizaron una sincronización precisa para combinar estas longitudes de onda y crear pulsos de terahercios muy nítidos.

En un artículo publicado el 14 de diciembre en la Revista IEEE de circuitos de estado sólido , los investigadores explicaron cómo crearon un chip para generar ondas de terahercios. El siguiente paso, los investigadores dijeron, es extender el trabajo más lejos a lo largo de la banda de terahercios. "Ahora mismo estamos trabajando con la parte inferior de la banda de terahercios, "dijo Xue Wu, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica de Princeton y autor de ambos artículos.

"¿Qué se puede hacer con mil millones de transistores operando a frecuencias de terahercios?" Preguntó Sengupta. "Sólo reimaginando estas complejas interacciones electromagnéticas a partir de principios fundamentales podemos inventar una nueva tecnología que cambie el juego".