Los físicos han creado un detector de banda ancha de radiación de terahercios basado en grafeno. El dispositivo tiene potencial para aplicaciones en comunicaciones y sistemas de transmisión de información de próxima generación, seguridad y equipos médicos.
El nuevo detector se basa en la interferencia de ondas de plasma. La interferencia como tal subyace en muchas aplicaciones tecnológicas y fenómenos cotidianos. Determina el sonido de los instrumentos musicales y provoca los colores del arco iris en las pompas de jabón, junto con muchos otros efectos. La interferencia de las ondas electromagnéticas es aprovechada por varios dispositivos espectrales que se utilizan para determinar la composición química, propiedades físicas y de otro tipo de los objetos, incluidos los muy remotos, como estrellas y galaxias.
Las ondas de plasma en metales y semiconductores han atraído recientemente mucha atención por parte de investigadores e ingenieros. Como las ondas acústicas más familiares, las que ocurren en los plasmas son esencialmente ondas de densidad también, pero involucran portadores de carga: electrones y huecos. Su variación de densidad local da lugar a un campo eléctrico, que empuja a otros portadores de carga a medida que se propaga a través del material. Esto es similar a cómo el gradiente de presión de una onda de sonido impulsa las partículas de gas o líquido en una región en constante expansión. Sin embargo, las ondas de plasma se apagan rápidamente en los conductores convencionales.
Dicho esto, los conductores bidimensionales permiten que las ondas de plasma se propaguen a través de distancias relativamente grandes sin atenuación. Por lo tanto, es posible observar su interferencia, proporcionando mucha información sobre las propiedades electrónicas del material en cuestión. La plasmónica de materiales 2D ha surgido como un campo altamente dinámico de la física de la materia condensada.
Durante los últimos 10 años, los científicos han avanzado mucho en la detección de radiación THz con dispositivos basados en grafeno. Los investigadores han explorado los mecanismos de interacción de la onda T con el grafeno y han creado prototipos de detectores, cuyas características están a la par con las de dispositivos similares basados en otros materiales.
Sin embargo, los estudios hasta ahora no han analizado los detalles de la interacción del detector con rayos T claramente polarizados. Dicho esto, los dispositivos sensibles a la polarización de las ondas serían útiles en muchas aplicaciones. El estudio reportado en esta historia demostró experimentalmente cómo la respuesta del detector depende de la polarización de la radiación incidente.
El coautor del estudio, Yakov Matyushkin, del Laboratorio de Materiales de Nanocarbono del MIPT, comentó: “El detector consiste en una oblea de silicio de 4 por 4 milímetros de ancho y una pequeña pieza de grafeno de 2 por 5 milésimas de milímetro de tamaño. El grafeno está conectado a dos almohadillas de contacto planas de oro, cuya forma de pajarita hace que el detector sea sensible a la polarización y fase de radiación incidente. Además de eso, la capa de grafeno también se encuentra con otro contacto de oro en la parte superior, con una capa no conductora de óxido de aluminio entrelazada ".
En microelectrónica, esta estructura se conoce como transistor de campo (fig. 1), y los dos contactos laterales suelen denominarse fuente y drenaje. El contacto superior se llama puerta.
La radiación de terahercios es una banda estrecha del espectro electromagnético entre las microondas y la luz infrarroja lejana. Desde el punto de vista de las aplicaciones, una característica importante de las ondas T es que atraviesan los tejidos vivos y experimentan una absorción parcial, pero no causan ionización y, por lo tanto, no dañan el cuerpo. Esto diferencia a la radiación de THz de los rayos X, por ejemplo.
En consecuencia, las aplicaciones tradicionalmente consideradas para los rayos T son los diagnósticos médicos y los controles de seguridad. Los detectores de THz también se utilizan en astronomía. Otra aplicación emergente es la transmisión de datos en frecuencias THz. Esto significa que el nuevo detector podría ser útil para establecer los estándares de comunicación de próxima generación 5G y 6G.
“La radiación de terahercios se dirige a una muestra experimental, ortogonalmente a su superficie. Esto genera fotovoltaje en la muestra, que puede ser captado por dispositivos de medición externos a través de los contactos de oro del detector”, comentó el coautor del estudio Georgy Fedorov, subdirector del Laboratorio MIPT de Materiales Nanocarbonados. “Lo que es crucial aquí es cuál es la naturaleza de la señal detectada. En realidad, puede ser diferente y varía según una serie de parámetros externos e internos: geometría de la muestra, frecuencia, polarización de la radiación y potencia, temperatura, etc."
En particular, el nuevo detector se basa en el tipo de grafeno que ya se produce industrialmente. El grafeno viene en dos tipos: el material puede exfoliarse mecánicamente o sintetizarse mediante deposición química de vapor. El primer tipo tiene una calidad superior, menos defectos e impurezas, y tiene el récord de movilidad de portadores de carga, que es una propiedad crucial para los semiconductores. Sin embargo, es el grafeno CVD el que la industria ya puede fabricar a escala hoy en día, lo que lo convierte en el material de elección para dispositivos con ambición de producción en masa.
Otro coautor del estudio, Maxim Rybin del MIPT y el Instituto de Física General Prokhorov de la Academia de Ciencias de Rusia es el director ejecutivo del fabricante de grafeno Rusgraphene, y dijo lo siguiente sobre la tecnología: “El hecho de que fuera el grafeno CVD en donde observamos interferencia de ondas de plasma significa que tales detectores de THz basados en grafeno son aptos para la producción industrial. Hasta donde sabemos, esta es la primera observación de interferencia de ondas de plasma en el grafeno CVD hasta ahora, por lo que nuestra investigación ha ampliado las posibles aplicaciones industriales del material".
El equipo demostró que la naturaleza de la fotorrespuesta del nuevo detector tiene que ver con la interferencia de ondas de plasma en el canal del transistor. La propagación de ondas comienza en los dos extremos opuestos del canal (fig. 2), y la geometría especial de la antena hace que el dispositivo sea sensible a la polarización y fase de la radiación detectada. Estas características significan que el detector podría resultar útil en la construcción de sistemas de transmisión de información y comunicación que operan en frecuencias THz y sub-THz.
Mas información: Yakov Matyushkin, et. al. Helicity-Sensitive Plasmonic Terahertz Interferometer. ACS Nano Letters (2020). https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02692
Nota original: MIPT