Las frecuencias más altas significan una transferencia de datos más rápida y procesadores más potentes, la fórmula que ha impulsado la industria de TI durante años. Técnicamente, sin embargo, es todo menos fácil seguir aumentando las frecuencias de reloj y las frecuencias de radio. Nuevos materiales podrían resolver el problema. Los experimentos en Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ahora han producido un resultado prometedor:un equipo internacional de investigadores pudo obtener un material novedoso para aumentar la frecuencia de un destello de radiación de terahercios en un factor de siete:un primer paso para el potencial Aplicaciones de TI, como informa el grupo en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

Cuando los teléfonos inteligentes reciben datos y los chips de computadora realizan cálculos, tales procesos siempre involucran campos eléctricos alternos que envían electrones por caminos claramente definidos. Las frecuencias de campo más altas significan que los electrones pueden hacer su trabajo más rápido, permitiendo mayores velocidades de transferencia de datos y mayores velocidades de procesador. El techo actual es el rango de terahercios, razón por la cual los investigadores de todo el mundo están interesados ​​en comprender cómo los campos de terahercios interactúan con materiales novedosos. "Nuestra instalación de terahercios TELBE en HZDR es una fuente excelente para estudiar estas interacciones en detalle e identificar materiales prometedores, "dice Jan-Christoph Deinert del Instituto de Física de la Radiación de HZDR." Un posible candidato es el arseniuro de cadmio, por ejemplo."

El físico ha estudiado este compuesto junto a investigadores de Dresde, Colonia, y Shanghai. Arseniuro de cadmio (Cd ₃ Como ₂ ) pertenece al grupo de los llamados materiales Dirac tridimensionales, en el que los electrones pueden interactuar de manera muy rápida y eficiente, ambos entre sí y con campos eléctricos alternos que oscilan rápidamente. "Estábamos particularmente interesados ​​en saber si el arseniuro de cadmio también emite radiación de terahercios a nuevas, frecuencias más altas, "explica Sergey Kovalev, científico de la línea de luz de TELBE." Ya lo hemos observado con mucho éxito en el grafeno, un material Dirac bidimensional ”. Los investigadores sospecharon que la estructura electrónica tridimensional del arseniuro de cadmio ayudaría a lograr una alta eficiencia en esta conversión.

Para probar esto, los expertos utilizaron un proceso especial para producir plaquetas ultrafinas de alta pureza a partir de arseniuro de cadmio, que luego sometieron a pulsos de terahercios de la instalación de TELBE. Los detectores detrás de la parte posterior de la plaqueta registraron cómo reaccionaba el arseniuro de cadmio a los pulsos de radiación. El resultado:"Pudimos demostrar que el arseniuro de cadmio actúa como un multiplicador de frecuencia muy eficaz y no pierde su eficacia, ni siquiera bajo los pulsos de terahercios muy fuertes que se pueden generar en TELBE, "informa el ex investigador del HZDR, Zhe Wang, que ahora trabaja en la Universidad de Colonia. El experimento fue el primero en demostrar el fenómeno de la multiplicación de frecuencias de terahercios hasta el séptimo armónico en esta clase de materiales aún joven.

Los electrones bailan a su propio ritmo

Además de la evidencia experimental, El equipo junto con los investigadores del Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos también proporcionaron una descripción teórica detallada de lo ocurrido:Los pulsos de terahercios que golpean el arseniuro de cadmio generan un fuerte campo eléctrico. "Este campo acelera los electrones libres en el material, Deinert describe:"Imagine una gran cantidad de diminutos perdigones de acero rodando sobre una placa que se inclina de un lado a otro muy rápido".

Los electrones del arseniuro de cadmio responden a esta aceleración emitiendo radiación electromagnética. Lo crucial es que no siguen exactamente el ritmo del campo de terahercios, pero oscilan por caminos bastante más complicados, que es una consecuencia de la estructura electrónica inusual del material. Como resultado, los electrones emiten nuevos pulsos de terahercios en múltiplos enteros impares de la frecuencia original, un efecto no lineal similar a un piano:cuando presionas la tecla A en el teclado, el instrumento no solo suena la tecla que tocaste, pero también un rico espectro de matices, los armónicos.

Para un mundo post 5G

El fenómeno es prometedor para numerosas aplicaciones futuras, por ejemplo en comunicación inalámbrica, que tiende hacia frecuencias de radio cada vez más altas que pueden transmitir muchos más datos que los canales convencionales de hoy. Actualmente, la industria está implementando el estándar 5G. Los componentes fabricados con materiales de Dirac podrían algún día usar frecuencias aún más altas y, por lo tanto, permitir un ancho de banda aún mayor que el 5G. La nueva clase de materiales también parece ser de interés para las computadoras futuras, ya que los componentes basados ​​en Dirac podrían, En teoria, facilitan velocidades de reloj más altas que las tecnologías actuales basadas en silicio.

Pero primero, la ciencia básica detrás de esto requiere más estudio. "El resultado de nuestra investigación fue solo el primer paso, "enfatiza Zhe Wang." Antes de que podamos imaginar aplicaciones concretas, necesitamos aumentar la eficiencia de los nuevos materiales ". Con este fin, los expertos quieren saber qué tan bien pueden controlar la multiplicación de frecuencias aplicando una corriente eléctrica. Y quieren dopar sus muestras, es decir, enriquecerlos con átomos extraños, con la esperanza de optimizar la conversión de frecuencia no lineal.