En el espectro electromagnético, La luz de terahercios se encuentra entre la radiación infrarroja y las microondas. Tiene un enorme potencial para las tecnologías del mañana:entre otras cosas, podría tener éxito en 5G al permitir conexiones de comunicaciones móviles y redes inalámbricas extremadamente rápidas. El cuello de botella en la transición de frecuencias de gigahercios a terahercios ha sido causado por fuentes y convertidores insuficientemente eficientes. Un equipo de investigación germano-español con la participación del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha desarrollado ahora un sistema de materiales para generar pulsos de terahercios de manera mucho más efectiva que antes. Está basado en grafeno, es decir., una hoja de carbono superfina, recubierto con una estructura laminar metálica. El grupo de investigación presentó sus resultados en la revista ACS Nano .

Hace tiempo, un equipo de expertos que trabaja en el acelerador HZDR ELBE pudo demostrar que el grafeno puede actuar como un multiplicador de frecuencia:cuando el carbono bidimensional se irradia con pulsos de luz en el rango de frecuencia de terahercios bajos, estos se convierten a frecuencias más altas. Hasta ahora, el problema ha sido que las señales de entrada extremadamente fuertes, que a su vez solo podría ser producido por un acelerador de partículas a gran escala, eran necesarios para generar pulsos de terahercios de manera eficiente ". Obviamente, esto no es práctico para futuras aplicaciones técnicas, "explica el autor principal del estudio, Jan-Christoph Deinert, del Instituto de Física de la Radiación en HZDR". buscamos un sistema material que también funcione con una entrada mucho menos violenta, es decir., con intensidades de campo más bajas ".

Para este propósito, Científicos del HZDR, junto a compañeros del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), la Universidad de Bielefeld, TU Berlin y el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros con sede en Mainz, se le ocurrió una nueva idea:la conversión de frecuencia podría mejorarse enormemente recubriendo el grafeno con diminutas laminillas de oro, que poseen una propiedad fascinante:"Actúan como antenas que amplifican significativamente la radiación de terahercios entrante en el grafeno, "explica el coordinador del proyecto Klaas-Jan Tielrooij de ICN2." Como resultado, obtenemos campos muy fuertes donde el grafeno queda expuesto entre las laminillas. Esto nos permite generar pulsos de terahercios de manera muy eficiente ".

Multiplicación de frecuencias sorprendentemente eficaz

Para probar la idea, miembros del equipo de ICN2 en Barcelona produjeron muestras:Primero, aplicaron una sola capa de grafeno a un soporte de vidrio. Encima, depositaron al vapor una capa aislante ultrafina de óxido de aluminio, seguido de una celosía de tiras de oro. Luego, las muestras se llevaron a la instalación de terahercios de TELBE en Dresden-Rossendorf, donde fueron golpeados con pulsos de luz en el rango bajo de terahercios (0.3 a 0.7 THz). Durante este proceso, los expertos utilizaron detectores especiales para analizar la eficacia con la que el grafeno recubierto de láminas de oro puede multiplicar la frecuencia de la radiación incidente.

"Funcionó muy bien, "Sergey Kovalev se complace en informar. Es responsable de las instalaciones de TELBE en HZDR". En comparación con el grafeno no tratado, señales de entrada mucho más débiles eran suficientes para producir una señal de frecuencia multiplicada ". Expresado en números, solo una décima parte de la intensidad de campo requerida originalmente fue suficiente para observar la multiplicación de frecuencias. Y con intensidades de campo bajas tecnológicamente relevantes, la potencia de los pulsos de terahercios convertidos es mil veces más fuerte gracias al nuevo sistema de materiales. Cuanto más anchas son las laminillas individuales y más pequeñas son las áreas de grafeno que quedan expuestas, cuanto más pronunciado es el fenómeno. Inicialmente, los expertos pudieron triplicar las frecuencias entrantes. Más tarde, lograron efectos aún mayores:cinco veces, siete veces, e incluso aumentos de nueve veces en la frecuencia de entrada.

Compatible con tecnología de chip

Esto ofrece una perspectiva muy interesante, porque hasta ahora los científicos han necesitado grandes dispositivos complejos como aceleradores o láseres grandes para generar ondas de terahercios. Gracias al nuevo material, También podría ser posible lograr el salto de gigahercios a terahercios simplemente con señales de entrada eléctricas, es decir., con mucho menos esfuerzo. "Nuestro metamaterial basado en grafeno sería bastante compatible con la tecnología de semiconductores actual, "Enfatiza Deinert." En principio, podría integrarse en chips ordinarios ". Él y su equipo han demostrado la viabilidad del nuevo proceso; ahora, la implementación en ensamblajes específicos puede ser posible.

Las aplicaciones potenciales podrían ser vastas:dado que las ondas de terahercios tienen frecuencias más altas que las frecuencias de comunicaciones móviles de gigahercios que se utilizan hoy en día, podrían usarse para transmitir significativamente más datos inalámbricos:5G se convertiría en 6G. Pero el rango de terahercios también es de interés para otros campos, desde el control de calidad en la industria y los escáneres de seguridad en los aeropuertos hasta una amplia variedad de aplicaciones científicas en la investigación de materiales, por ejemplo.