Los investigadores han desarrollado un chip extremadamente delgado con un circuito fotónico integrado que podría usarse para explotar la llamada brecha de terahercios (situada entre 0,3 y 30 THz en el espectro electromagnético) para espectroscopia e imágenes.
Esta brecha es actualmente una especie de zona muerta tecnológica, que describe frecuencias que son demasiado rápidas para los dispositivos electrónicos y de telecomunicaciones actuales, pero demasiado lentas para aplicaciones ópticas y de imágenes.
Sin embargo, el nuevo chip de los científicos ahora les permite producir ondas de terahercios con frecuencia, longitud de onda, amplitud y fase personalizadas. Este control preciso podría permitir el aprovechamiento de la radiación de terahercios para aplicaciones de próxima generación, tanto en el ámbito electrónico como en el óptico.
El trabajo, realizado entre EPFL, ETH Zurich y la Universidad de Harvard, ha sido publicado enComunicaciones de la naturaleza.
Cristina Benea-Chelmus, quien dirigió la investigación en el Laboratorio de Fotónica Híbrida (HYLAB) de la Escuela de Ingeniería de la EPFL, explicó que, si bien ya se han producido ondas de terahercios en laboratorio, los enfoques anteriores se basaban principalmente en cristales masivos para generar las frecuencias adecuadas. En cambio, el uso en su laboratorio del circuito fotónico, fabricado con niobato de litio y grabado finamente a escala nanométrica por colaboradores de la Universidad de Harvard, ofrece un enfoque mucho más eficiente. El uso de un sustrato de silicio también permite la integración del dispositivo en sistemas electrónicos y ópticos.
“Generar ondas a frecuencias muy altas es extremadamente difícil, y existen muy pocas técnicas que puedan generarlas con patrones únicos”, explicó. “Ahora podemos diseñar la forma temporal exacta de las ondas de terahercios; básicamente, podemos decir: 'Quiero una forma de onda que se parezca a esto'”.
Para lograrlo, el laboratorio de Benea-Chelmus diseñó la disposición de los canales del chip, llamados guías de ondas, de tal manera que se pudieran utilizar antenas microscópicas para transmitir ondas de terahercios generadas por luz de fibras ópticas.
“El hecho de que nuestro dispositivo ya utilice una señal óptica estándar es una gran ventaja, ya que significa que estos nuevos chips pueden utilizarse con láseres tradicionales, que funcionan muy bien y son bien conocidos. Esto significa que nuestro dispositivo es compatible con las telecomunicaciones”, enfatizó Benea-Chelmus. Añadió que los dispositivos miniaturizados que envían y reciben señales en el rango de terahercios podrían desempeñar un papel clave en los sistemas móviles de sexta generación (6G).
En el mundo de la óptica, Benea-Chelmus ve un potencial particular en los chips miniaturizados de niobato de litio para espectroscopía e imagen. Además de no ser ionizantes, las ondas de terahercios tienen una energía mucho menor que muchos otros tipos de ondas (como los rayos X) que se utilizan actualmente para obtener información sobre la composición de un material, ya sea un hueso o una pintura al óleo. Por lo tanto, un dispositivo compacto y no destructivo como el chip de niobato de litio podría ofrecer una alternativa menos invasiva a las técnicas espectrográficas actuales.
“Podrías imaginar enviar radiación de terahercios a través de un material que te interesa y analizarlo para medir su respuesta, dependiendo de su estructura molecular. Todo esto desde un dispositivo más pequeño que la cabeza de una cerilla”, dijo.
A continuación, Benea-Chelmus planea centrarse en ajustar las propiedades de las guías de onda y las antenas del chip para diseñar formas de onda con mayores amplitudes, frecuencias y tasas de decaimiento más precisas. También ve potencial en la tecnología de terahercios desarrollada en su laboratorio para aplicaciones cuánticas.
Hay muchas preguntas fundamentales que abordar; por ejemplo, nos interesa saber si podemos usar estos chips para generar nuevos tipos de radiación cuántica que puedan manipularse en escalas de tiempo extremadamente cortas. Estas ondas, en la ciencia cuántica, pueden utilizarse para controlar objetos cuánticos, concluyó.
Hora de publicación: 14 de febrero de 2023
