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2022-11-09Ingenieros del MIT desarrollan una cámara de terahercios de bajo costo

MIT |El dispositivo proporciona mayor sensibilidad y velocidad que las versiones anteriores y podría utilizarse para inspección industrial, seguridad aeroportuaria y comunicaciones.

La radiación de terahercios, cuyas longitudes de onda se encuentran entre las de las microondas y la luz visible, puede penetrar muchos materiales no metálicos y detectar firmas de ciertas moléculas. Estas prácticas cualidades podrían prestarse a una amplia gama de aplicaciones, que incluyen escaneo de seguridad en aeropuertos, control de calidad industrial, observaciones astrofísicas, caracterización no destructiva de materiales y comunicaciones inalámbricas con un ancho de banda mayor que las bandas de teléfonos celulares actuales.

Sin embargo, el diseño de dispositivos para detectar y generar imágenes a partir 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 ya temperatura y presión ambiente. Es más, puede capturar simultáneamente información sobre la orientación o "polarización" de las ondas en tiempo real, algo que los dispositivos existentes no pueden. Esta información se puede utilizar para caracterizar materiales que tienen moléculas asimétricas o para determinar la topografía superficial de los materiales.

El nuevo sistema utiliza partículas llamadas puntos cuánticos que, según se descubrió recientemente, pueden emitir luz visible cuando son estimuladas por ondas de terahercios. Luego, la luz visible puede ser registrada por un dispositivo que es similar al detector de una cámara electrónica estándar e incluso puede verse a simple vista. El dispositivo se describe en un artículo publicado hoy en la revista Nature Nanotechnology , por el estudiante de doctorado 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 produzca 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, hechas con técnicas de fabricación estándar como las que se usan para los microchips. Una matriz de líneas paralelas de oro a nanoescala, separadas por rendijas estrechas, se encuentra sobre el sustrato; encima hay una capa del 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 en forma de anillo a nanoescala, lo que le permite detectar la polarización de los haces entrantes.

Los fotones de la radiación de terahercios tienen una energía extremadamente baja, explica Nelson, lo que los hace difíciles de detectar. “Entonces, lo que hace este dispositivo es convertir esa diminuta energía fotónica en algo visible que es fácil de detectar con una cámara normal”, dice. En los experimentos del equipo, el dispositivo pudo detectar pulsos de terahercios a niveles de baja intensidad que superaron la capacidad 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 las líneas doradas nanoespaciadas y las rendijas en forma de anillo utilizadas para el detector polarizado, demostrando la sensibilidad y resolución de el sistema.

Gif es principalmente negro.  En la esquina, una regla mide 50 μms.  Como si trazaran el contorno de un círculo, aparecen y desaparecen destellos blancos y morados.


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 produzca ondas de terahercios para iluminar un sujeto 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 se propaga lentamente, o usan fotodetectores que son relativamente rápidos, pero tienen una sensibilidad muy baja. Además, hasta ahora, la mayoría de los enfoques han requerido una serie completa de detectores de terahercios, cada uno de los cuales produce un píxel de la imagen. "Cada uno es bastante caro", dice Shi, por lo que "una vez que comienzan a fabricar una cámara, el costo de los detectores comienza a aumentar muy, muy rápido".

Si bien los investigadores dicen que han resuelto el problema de detección de pulso de terahercios con su nuevo trabajo, la falta de buenas fuentes persiste, y muchos grupos de investigación de todo el mundo están trabajando en ello. 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 las nuevas técnicas microelectrónicas basadas en fuentes están en desarrollo.

"Creo que ese es realmente el paso que limita la velocidad: ¿puedes hacer las señales [terahercios] de una manera fácil que no sea costosa?" él 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 cámaras de terahercios cuestan decenas de miles de dólares, la naturaleza económica de las cámaras CMOS utilizadas para este sistema lo convierte en "un gran paso adelante hacia 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 tradicionales para tales longitudes de onda funcionan a temperaturas de helio líquido (-452 grados Fahrenheit), dice Nelson, lo cual es necesario para distinguir la energía extremadamente baja de los fotones de terahercios del ruido de fondo. El hecho de que este nuevo dispositivo pueda detectar y producir imágenes de estas longitudes de onda con una cámara de luz visible convencional a temperatura ambiente ha sido inesperado para quienes trabajan en el campo de los terahercios. “La gente dice, ¿Qué? Es un poco inaudito, y la gente se sorprende mucho”, dice Oh.

Hay muchas vías para 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.

En términos del 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 fabricación real de los dispositivos de cámara es más compleja, dice, 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 utilizando los sistemas de producción de microchips estándar de hoy en día, lo que significa que, en última instancia, la producción en masa de los dispositivos debería ser posible y relativamente económica.

Aunque el sistema de cámara aún está lejos de la comercialización, los investigadores del MIT han estado utilizando el nuevo dispositivo de laboratorio cuando necesitan una forma rápida de detectar la radiación de terahercios. “No tenemos una de esas costosas cámaras”, dice Nelson, “pero tenemos muchos de estos pequeños dispositivos. Las personas simplemente colocarán uno de estos en el haz y observarán a simple vista la emisión de luz visible 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, esas fuentes serían extremadamente débiles y el nuevo dispositivo no puede capturar señales tan débiles, dice Nelson, aunque el equipo está trabajando para mejorar su sensibilidad. “La próxima generación radica en hacer todo más pequeño, por lo que será mucho más sensible”, dice.

El equipo de investigación incluyó a Daehan Yoo de la Universidad de Minnesota; Ferran Vidal-Codina, Ngoc-Cuong Nguyen, Hendrik Utzat, Jinchi Han, Vladimir Bulović, Moungi Bawendi y Jaime Peraire en el MIT; Chan-Wook Baik y Kyung-Sang Cho del Instituto de Tecnología Avanzada de Samsung; y Aaron Lindenberg en la Universidad de Stanford. El trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. a través del Instituto MIT para Nanotecnologías de Soldados, el Programa de Alcance de Investigación Global de Samsung y el Centro para la Ciencia de Investigación de Eficiencia Energética.

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