Trabajar en el rango de terahercios (THz) ofrece oportunidades únicas en diversas aplicaciones, incluidas imágenes biomédicas, telecomunicaciones y sistemas de detección avanzados. Sin embargo, debido a las propiedades únicas de las ondas electromagnéticas en el rango de 0,1 a 10 THz, ha resultado difícil desarrollar componentes de alto rendimiento que muestren el verdadero potencial de la tecnología THz. Incluso el diseño de elementos básicos y esenciales como filtros y absorbentes sigue siendo un desafío importante.
Afortunadamente, el auge de los metamateriales podría conducir a formas innovadoras de resolver estos problemas. Gracias a los avances en las tecnologías de fabricación y procesamiento, ahora es posible crear microestructuras con patrones bidimensionales (2D) con propiedades electromagnéticas únicas en el rango de THz, lo que proporciona un control sin precedentes sobre las señales en estas frecuencias.
Aunque se han propuesto varios absorbentes de metamateriales (o "metasuperficies") 2D, la mayoría de ellos todavía adolecen de serias limitaciones. Un problema común es que una vez que se determina y fabrica el patrón estructural de un absorbente de metasuperficie, su rendimiento electromagnético se vuelve fijo. Esta falta de capacidad de ajuste restringe las posibles aplicaciones de dichos dispositivos.
Por otro lado, si bien existen absorbentes de metasuperficie a base de metal sintonizables, se desaconseja el uso de capas metálicas delgadas. Esto se debe a varios inconvenientes, como la dificultad para fabricar las estructuras necesarias y el mediocre rendimiento provocado por las características inherentes de los metales.
En este contexto, un equipo de investigación de China ha desarrollado un nuevo absorbente de metasuperficie sintonizable a base de carbono con un ancho de banda ultra amplio y sintonizable en el rango de THz. Su estudio, dirigido por el Dr. Wenhan Cao de la Universidad ShanghaiTech, fue publicado en Advanced Photonics Nexus. .
El absorbente propuesto se centra en el uso de microestructuras de grafeno y grafito como resonadores y una capa de grafito como superficie retrorreflectante. "La subunidad repetitiva, o 'celda unitaria', en este absorbente de metasuperficie de THz fue diseñada estratégicamente para optimizar la eficiencia de absorción basándose principalmente en cuatro factores:geometría, propiedades del material, sensibilidad a la polarización y mecanismos de sintonización", explica Cao.
Geométricamente, el absorbente se compone de tres finas capas. La capa superior es una capa conductora estampada que contiene una disposición de anillos concéntricos de grafito interconectados por cables de grafeno, mientras que la segunda es un dieléctrico simple que ayuda a disipar ondas electromagnéticas no deseadas. Finalmente, la tercera capa es una capa de absorción que evita que las ondas THz se transmitan directamente a través del dispositivo, maximizando así la eficiencia de absorción.
Tanto la selección del material como el diseño geométrico del absorbente, que fue optimizado mediante análisis numéricos y simulaciones, contribuyen a su notable absorción en el rango de THz. En particular, una característica clave del absorbente propuesto es su capacidad de sintonización, que surge de un nivel de Fermi ajustable. Este parámetro es esencial en la tecnología de materiales y semiconductores ya que determina la distribución de electrones en diferentes niveles de energía.
Al aplicar un voltaje a la capa de grafeno, es posible modificar su nivel de Fermi, lo que a su vez permite ajustar fácilmente el ancho de banda de absorción.
"A un nivel de Fermi de 1 eV, el absorbente propuesto puede alcanzar un ancho de banda impresionantemente amplio de 8,99 THz, entregando más del 90% de absorción dentro del rango de frecuencia de 7,24 a 16,23 THz, con dos picos de resonancia distintos a 8,35 THz y 14,70 THz". añadió Cao.
Otra ventaja notable del diseño propuesto es su notable insensibilidad al ángulo de polarización de la radiación incidente. Esta propiedad favorable surge naturalmente del uso de anillos concéntricos en la celda unitaria del absorbente. El círculo, con una forma perfectamente simétrica, permite que el absorbente mantenga una alta tasa de absorción en ángulos de incidencia de hasta 50°.
En general, los numerosos beneficios del diseño propuesto, combinados con su elegante simplicidad, representan un verdadero avance en la tecnología THz.
"El absorbente propuesto proporciona una estructura ultrafina y simple sin metal con un ancho de banda de absorción amplio y ajustable con un espesor bajo, lo que mejora en gran medida su aplicabilidad. Estas ventajas van más allá de las de otros absorbentes reportados", afirmó Cao.>
Pronto, los dispositivos THz podrían convertirse en parte de la tecnología cotidiana, especialmente en campos como la medicina y las comunicaciones, así como en esfuerzos más orientados a la investigación, como la ciencia de materiales y la biología.
Más información: Aiqiang Nie et al, Absorbedor de metasuperficie de terahercios sintonizable de banda ultraancha a base de carbono, Advanced Photonics Nexus (2024). DOI:10.1117/1.APN.3.1.016007
Proporcionado por SPIE
