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(noticias nanowerk) Los investigadores están trabajando para desbloquear el inmenso potencial de las ondas de terahercios para aplicaciones que van desde imágenes médicas hasta comunicaciones inalámbricas. Sin embargo, controlar eficazmente el estado de polarización de estas ondas electromagnéticas de alta frecuencia sigue siendo un desafío continuo.
Los enfoques tradicionales basados en cristales birrefringentes naturales o placas de ondas dieléctricas se ven obstaculizados por anchos de banda operativos bajos, hardware voluminoso y susceptibilidad a sufrir daños. Estas limitaciones han ralentizado el progreso hacia sistemas de terahercios comercialmente viables que exploten plenamente la información codificada en la polarización de las ondas electromagnéticas.
Los recientes avances en metamateriales (estructuras artificiales con propiedades inalcanzables en la naturaleza) han despertado nuevas esperanzas. Los conjuntos de metamateriales cuidadosamente diseñados permiten a los investigadores superar las limitaciones de los materiales naturales y ejercer un control sin precedentes sobre la propagación de ondas de terahercios.
Aprovechando este impulso, investigadores de la Universidad de Tianjin han demostrado un convertidor de polarización de metamaterial totalmente de silicio con un rendimiento récord en un rango de frecuencia excepcionalmente amplio.
Como se describe en su artículo publicado en Límites de la optoelectrónica (“Un diseño totalmente de silicio de un convertidor de polarización transmisivo de terahercios de banda ancha de alta eficiencia”), el ingenioso diseño del equipo logra una eficiencia de conversión de polarización de más del 80% en el enorme ancho de banda de 1,00-2,32 THz. En comparación, este alcance representa más del doble del alcance operativo de los demostradores anteriores más avanzados.
En el corazón de este avance se encuentra una microestructura de silicio en forma de cruz, engañosamente simple, modelada sobre un sustrato dieléctrico. Al ajustar las dimensiones y la disposición periódica de estos elementos de sublongitud de onda, los investigadores inducen una fuerte birrefringencia artificial, que hace que diferentes polarizaciones de las ondas de terahercios incidentes acumulen diferentes cambios de fase a medida que pasan.
Mediante una cuidadosa optimización de los parámetros, el equipo pudo alcanzar el punto óptimo en el que las polarizaciones ortogonales desarrollan exactamente el desplazamiento de fase requerido para una rotación de polarización eficiente. Debido a que todas las piezas se fabrican a partir de silicio utilizando técnicas litográficas estándar, los dispositivos son altamente fabricables.
En particular, al rotar dinámicamente la orientación de las metamoléculas en forma de cruz, los investigadores pueden cambiar activamente entre la conversión de polarización lineal a lineal y lineal a circular según sea necesario. Incluso la iluminación de terahercios de gran angular y de gran ángulo apenas afecta el rendimiento, lo que demuestra la solidez de los sólidos principios de diseño del equipo.
La funcionalidad y el ancho de banda dramáticamente ampliados de estos manipuladores de polarización de metamateriales de silicio puro prometen dar nueva vida a los esfuerzos de comercialización de la tecnología de terahercios. La integración de estos dispositivos en espectrómetros de terahercios a escala de chip y sistemas de imágenes podría resultar verdaderamente transformador, desbloqueando aplicaciones que van desde la investigación de materia condensada hasta el control de calidad farmacéutica.
A medida que continúa el desarrollo, las capacidades sin precedentes para la gestión de la polarización también podrían abrir nuevos horizontes en las comunicaciones inalámbricas de larga distancia. Al multiplexar múltiples flujos de datos en polarizaciones ortogonales, las interconexiones de terahercios mejoradas con metamateriales podrían aumentar drásticamente las capacidades de los canales, ayudando a satisfacer el hambre aparentemente imparable de conectividad del mundo.
Dada la fase inicial de desarrollo, el uso práctico sigue siendo, por supuesto, un objetivo lejano. Pero al superar los desafíos de larga data asociados con el manejo eficiente de la polarización de terahercios de banda ancha, este avance representa un gran salto hacia tecnologías que alguna vez parecieron firmemente arraigadas en el ámbito de la ciencia ficción.
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