Las ondas de terahercios son cada vez más importantes en la ciencia y la tecnología. Nos permiten desentrañar las propiedades de los materiales futuros, probar la calidad de la pintura automotriz y los sobres de pantalla. Pero generar estas ondas sigue siendo un desafío. Un equipo de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), TU Dresden y la Universidad de Konstanz han logrado avances significativos. 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. Como ha sido posible fabricar el componente empleando métodos ya utilizados en la industria de los semiconductores, el desarrollo promete una amplia gama de aplicaciones en investigación y tecnología, como informa el equipo en la revista Luz:ciencia y aplicaciones .

Como la luz Las ondas de terahercios se clasifican como radiación electromagnética. En el espectro caen justo entre las microondas y la radiación infrarroja. Pero si bien las microondas y la radiación infrarroja hace tiempo que ingresaron a nuestra vida cotidiana, Las ondas de terahercios apenas están comenzando a usarse. La razón es que los expertos solo han podido construir fuentes razonablemente aceptables para ondas de terahercios desde principios de la década de 2000. Pero estos transmisores aún no son perfectos:son relativamente grandes y costosos, y la radiación que emiten no siempre tiene las propiedades deseadas.

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

Sin embargo, este método tiene varios inconvenientes:"Solo se puede utilizar con láseres especiales relativamente caros, "explica el físico de HZDR Dr. Harald Schneider." Con láseres estándar del tipo que usamos para las comunicaciones de fibra óptica, no funciona ”. Otro inconveniente es que los cristales de arseniuro de galio solo entregan pulsos de terahercios de banda relativamente estrecha y, por lo tanto, un rango de frecuencia restringido, lo que limita significativamente el área de aplicación.

Implantes de metales preciosos

Es por eso que Schneider y su equipo están apostando por otro material:el germanio semiconductor. "Con el germanio podemos utilizar láseres menos costosos 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 banda muy ancha ". hasta aquí, han tenido un problema:si irradia germanio puro con un pulso de láser corto, se necesitan varios microsegundos antes de que desaparezca la carga eléctrica del semiconductor. Solo entonces el cristal puede absorber el siguiente pulso de láser. Los láseres de hoy 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 desvanecieran 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, Dr. Abhishek Singh. "El oro penetró en el cristal a una profundidad de 100 nanómetros". Luego, 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 ultracortos:en lugar de quedarse en el cristal durante varios microsegundos, los portadores de carga eléctrica volvieron a desaparecer 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 se puede bombardear con pulsos de láser a una alta tasa de repetición y seguir funcionando, "Singh se complace en informar.

Posibilidad de fabricación económica

El nuevo método facilita pulsos de terahercios con un ancho de banda extremadamente amplio:en lugar de 7 terahercios utilizando la técnica establecida de arseniuro de galio, ahora es diez veces mayor:70 terahercios. "Tenemos una amplia, continuo, espectro sin espacios de una sola vez ", Harald Schneider se entusiasma. "Esto significa que tenemos una fuente realmente versátil a mano que se puede utilizar para las aplicaciones más diversas". Otro beneficio es que, efectivamente, Los componentes de germanio se pueden procesar con la misma tecnología que se utiliza para los microchips. "A diferencia del arseniuro de galio, el germanio es compatible con el silicio, "Schneider señala." Y como los nuevos componentes se pueden operar junto con láseres de fibra óptica estándar, podría hacer que la tecnología sea bastante compacta y económica ".

Esto debería convertir el germanio dopado con oro en una opción interesante no solo 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 imaginarse sensores, por ejemplo, que trazan 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, desarrollado en Dresden-Rossendorf, podría ayudar a que los sensores ambientales como este sean mucho más baratos en el futuro.