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(Noticias de Nanowerk) La radiación de terahercios, que tiene longitudes de onda entre las microondas y la luz visible, puede penetrar muchos materiales no metálicos y detectar firmas de ciertas moléculas. Estos grados prácticos podrían ser útiles para una variedad de aplicaciones, incluido el escaneo de seguridad en aeropuertos, control de calidad industrial, observaciones astrofísicas, caracterización no destructiva de materiales y comunicaciones inalámbricas de mayor ancho de banda que las bandas de teléfonos celulares actuales.
Sin embargo, el diseño de dispositivos para detectar y generar imágenes de ondas de terahercios ha sido un desafío, y la mayoría de los dispositivos de terahercios existentes son costosos, lentos, voluminosos y requieren sistemas de vacío y temperaturas extremadamente bajas.
Ahora, investigadores del MIT, la Universidad de Minnesota y Samsung han desarrollado un nuevo tipo de cámara que puede detectar pulsos de terahercios rápidamente, con alta sensibilidad y a temperatura y presión ambiente. Además, puede adquirir simultáneamente información sobre la orientación o «polarización» de las ondas en tiempo real, lo que no es posible con los dispositivos existentes. Esta información se puede utilizar para caracterizar materiales con moléculas asimétricas o para determinar la topografía superficial de los materiales.
El nuevo sistema utiliza partículas llamadas puntos cuánticos, que recientemente se descubrió que pueden emitir luz visible cuando se excitan con ondas de terahercios. Luego, la luz visible puede ser registrada por un dispositivo similar al detector en una cámara electrónica estándar e incluso puede verse a simple vista.
El dispositivo se describe en un artículo publicado en la revista. nanotecnología de la naturaleza («Una cámara de terahercios CMOS sensible a la polarización a temperatura ambiente basada en la conversión ascendente de terahercios a fotones visibles mejorada por puntos cuánticos»), por el estudiante graduado del MIT Jiaojian Shi, el profesor de química Keith Nelson y otros 12.
El equipo produjo dos dispositivos diferentes que pueden funcionar a temperatura ambiente: uno utiliza la capacidad del punto cuántico para convertir pulsos de terahercios en luz visible, lo que permite que el dispositivo genere imágenes de materiales; el otro produce imágenes que muestran el estado de polarización de las ondas de terahercios.
La nueva «cámara» consta de varias capas, fabricadas utilizando técnicas de fabricación estándar utilizadas para microchips. En el sustrato se encuentra una matriz de líneas doradas paralelas a nanoescala separadas por rendijas estrechas; en la parte superior hay una capa de material de puntos cuánticos emisores de luz; y encima hay un chip CMOS que se usa para formar una imagen. El detector de polarización, llamado polarímetro, utiliza una estructura similar pero con ranuras anulares a nanoescala que le permiten detectar la polarización de los rayos incidentes.
Los fotones en la radiación de terahercios tienen una energía extremadamente baja, explica Nelson, lo que los hace difíciles de detectar. «Así que este dispositivo convierte esa pequeña energía de fotones en algo visible que es fácil de ver con una cámara normal», dice. En los experimentos del equipo, el dispositivo pudo detectar pulsos de terahercios a niveles de baja intensidad, superando las capacidades de los grandes y costosos sistemas actuales.
Los investigadores demostraron las capacidades del detector al tomar imágenes iluminadas con terahercios de algunas de las estructuras utilizadas en sus dispositivos, como el sistema. Gif es principalmente negro. En la esquina, una regla mide 50 μm. Como si trazaran el contorno de un círculo, aparecen y desaparecen reflejos de luz blancos y violetas. Se utilizó una cámara CMOS para capturar la rotación de un haz de terahercios. Cortesía de los investigadores
El desarrollo de una cámara práctica de terahercios requiere un componente que genere ondas de terahercios para iluminar un objeto y otro que las detecte. En este último punto, los detectores de terahercios actuales son muy lentos porque se basan en detectar el calor generado por las ondas que golpean un material y el calor viaja lentamente, o usan fotodetectores, que son relativamente rápidos, pero tienen una sensibilidad muy baja. Además, la mayoría de los enfoques hasta la fecha han requerido una serie completa de detectores de terahercios, cada uno de los cuales genera un píxel de la imagen. «Cada uno es bastante caro», dice Shi, «una vez que comienzan a fabricar una cámara, el costo de los detectores aumenta muy, muy rápidamente».
Si bien los investigadores dicen que su nuevo trabajo ha resuelto el problema de detectar pulsos de terahercios, la falta de buenas fuentes persiste, y muchos grupos de investigación de todo el mundo la están abordando. La fuente de terahercios utilizada en el nuevo estudio es una matriz grande y engorrosa de láseres y dispositivos ópticos que no se pueden escalar fácilmente a aplicaciones prácticas, dice Nelson, pero se están desarrollando nuevas técnicas microelectrónicas basadas en fuentes.
«Creo que ese es realmente el paso de limitación de velocidad: ¿puedes hacer eso? [terahertz] ¿Señales de una manera sencilla que no es costosa?”, dice. «Pero no hay duda de que viene».
Sang-Hyun Oh, coautor del artículo y profesor McKnight de Ingeniería Eléctrica e Informática en la Universidad de Minnesota, agrega que, si bien las versiones actuales de las cámaras de terahercios cuestan decenas de miles de dólares, aprovechan la naturaleza económica de las cámaras CMOS. Este sistema lo convierte en «un gran paso adelante en la construcción de una cámara práctica de terahercios». El potencial de comercialización llevó a Samsung, que fabrica chips de cámara CMOS y dispositivos de puntos cuánticos, a colaborar en esta investigación.
Los detectores convencionales para tales longitudes de onda operan a temperaturas de helio líquido (-452 grados Fahrenheit), dice Nelson, lo cual es necesario para filtrar los fotones de terahercios de energía extremadamente baja del ruido de fondo. El hecho de que este nuevo dispositivo pueda detectar y obtener imágenes de estas longitudes de onda usando una cámara de luz visible convencional a temperatura ambiente fue inesperado para quienes trabajan en el rango de los terahercios. «La gente dice, ‘¿Qué?’ Es un poco escandaloso y la gente está muy sorprendida», dice Oh.
Hay muchas formas de mejorar aún más la sensibilidad de la nueva cámara, dicen los investigadores, incluida una mayor miniaturización de los componentes y formas de proteger los puntos cuánticos. Incluso con los niveles de detección actuales, el dispositivo podría tener algunas aplicaciones potenciales, dicen.
Con respecto al potencial de comercialización del nuevo dispositivo, Nelson dice que los puntos cuánticos ahora son económicos y fácilmente disponibles, y actualmente se utilizan en productos de consumo como pantallas de televisión. La producción real de los dispositivos de cámara es más compleja, pero también se basa en la tecnología microelectrónica existente. De hecho, a diferencia de los detectores de terahercios existentes, todo el chip de la cámara de terahercios se puede fabricar usando los sistemas de producción de microchips estándar de hoy en día, lo que significa que eventualmente la producción en masa de los dispositivos debería ser posible y relativamente económica.
Aunque el sistema de cámara aún está muy lejos de la comercialización, los investigadores del MIT ya están utilizando el nuevo dispositivo de laboratorio cuando necesitan una forma rápida de detectar la radiación de terahercios. “No tenemos estas costosas cámaras”, dice Nelson, “pero sí tenemos muchos de estos pequeños dispositivos. Las personas simplemente colocan uno de estos en el haz y miran la emisión de luz visible con el ojo para saber cuándo está encendido el haz de terahercios. … A la gente le pareció muy útil”.
Si bien, en principio, las ondas de terahercios podrían usarse para detectar algunos fenómenos astrofísicos, estas fuentes serían extremadamente débiles y el nuevo dispositivo no puede detectar señales tan débiles, dice Nelson, aunque el equipo está trabajando para mejorar su sensibilidad. «La próxima generación se trata de hacer todo más pequeño, por lo que será mucho más delicado», dice.
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