Los terahercios serán una realidad gracias al grafeno

Dibujo20171227 Schematic graphene-based on-chip integrated device nature photonics s41566_2017_73_Fig1

La plasmónica basada en grafeno es la tecnología ideal para generar y manipular ondas electromagnéticas a frecuencias de terahercios (de 0,1 THz a 10 THz), también llamadas submilimétricas (de 0,03 a 3 mm). Se publica en Nature Photonics un generador de terahercios integrado en chip basado en una heteroestructura de grafeno. Gracias al control del voltaje de puerta aplicado al dispositivo se puede ajustar la frecuencia de los plasmones excitados entre 4,7 y 9,4 THz. Sin lugar a dudas los terahercios son uno de los nichos tecnológicos del grafeno.

La banda de frecuencias de los terahercios está entre el infrarrojo lejano y las microondas, luego tiene un amplio abanico de aplicaciones. Siendo una radiación que no es ionizante y que permite generar pulsos ultracortos de alta resolución espacial (submilimétrica) pueden sustituir a los rayos X y a la radiación ultravioleta en muchas áreas, como en biología, medicina, seguridad, defensa, etc. También tiene aplicaciones en ciencia básica, como en astronomía donde permitirá estudiar galaxias, asteroides, cometas, e incluso la Luna con nuevos ojos; eso sí, desde el espacio, ya que sus pérdidas en propagación atmosférica son muy altas en comparación con frecuencias más bajas del espectro (de hecho, el agua bloquea esta radiación, igual que las microondas). También tienen aplicaciones en comunicaciones de datos, donde prometen minimizar el tamaño de los componentes, como las antenas, y lograr mayores velocidades de transmisión de datos.

El nuevo artículo es Baicheng Yao, Yuan Liu, …., Chee Wei Wong, “Broadband gate-tunable terahertz plasmons in graphene heterostructures,” Nature Photonics 12: 22–28 (2017), doi: 10.1038/s41566-017-0054-7; más información divulgativa en Alexey Y. Nikitin, “Telecom meets terahertz,” Nature Photonics 12: 3–4 (2017), doi: 10.1038/s41566-017-0073-4.

Dibujo20171727 Nonlinear process difference frequency generation nature photonics s41566-017-0054-7

Un polaritón plasmónico en grafeno (GPP), llamado por brevedad plasmón, es una oscilación combinada de portadores (electrones y huecos) y ondas electromagnéticas. Los plasmones en el nuevo dispositivo se excitan gracias a dos pulsos contrapropagantes (llamados señal y bombeo) generados por sendos láseres infrarrojos; el láser de bombeo tiene una frecuencia fija a 195,82 THz (1532 nm), mientras que el láser de señal, que funciona en modo continuo, tiene una frecuencia variable entre 191,08 THz (1570 nm) y 186,34 THz (1610 nm). Los plasmones de THz son resultado de efectos no lineales de segundo orden en la heteroestructura (como ilustra la figura), propuestos en el año 2010.

Dibujo20171727 graphene plamons generation nature photonics s41566-017-0054-7

La señal continua y el bombeo infrarrojo se propagan por una guía óptica de nitruro de silicio, Si3N4, de 1 μm de anchura y 725 nm de altura; sobre dicha guía se encuentra la heteroestructura de grafeno/alúmina/grafeno —la alúmina es óxido de alumino, Al2O3, y el grafeno es una hoja de carbono de grosor monoatómico—. La heteroestructura Gr/Al2O3/Gr tiene una longitud de unos 80 μm, suficiente para que se propague un plasmón en cada hoja de grafeno, que están conectadas a través de contactos eléctricos a una fuente de potencial.

Dibujo20171727 symmetric vs antisymmetric modes nature photonics s41566-017-0054-7

El voltaje externo permite ajustar los niveles de Fermi de ambas hojas de grafeno. Cuando en una de las hojas se hacen coincidir con el punto de Dirac, vértice de de los dos conos asociados a las bandas de conducción (azul en la figura) y valencia (roja), se impide la excitación de plasmones en dicha hoja. Cuando los niveles de Fermi en ambas hojas de grafeno son comparables también lo son las frecuencias de los plasmones en cada una; en este caso, debido a la separación pequeña entre las capas (el aislante son 30 nm de Al2O3) los plasmones de cada una interaccionan entre sí.

Dibujo20171727 symmetric vs antisymmetric modes in graphene thz generator nature photonics s41566-017-0054-7

En el nuevo experimento se generan modos ópticos y modos acústicos del plasmón en el mismo dispositivo. En el modo óptico (simétrico) las cargas oscilan longitudinalmente en el plano de la hoja grafeno y su propagación es colinear con los plasmones. En el modo acústico (antisimétrico) las cargas oscilan perpendicularmente al plano de la hoja de grafeno y a la propagación de los plasmones. Los modos acústicos están fuertemente suprimidos debido a la amortiguación de Landau (Landau damping), luego en la práctica solo son aprovechables los modos ópticos.

Dibujo20171727 Measured spectra top-layer graphene peaks nature photonics s41566-017-0054-7

El nuevo generador de plasmones de THz permite ajustar su frecuencia, luego su potencial aplicado es grande. Por supuesto, se necesitan futuras mejoras en la eficiencia de generación; ahora mismo la eficiencia es modesta, cerca de 10–4, es decir, se necesitan unos diez mil fotones infrarrojos para producir un único plasmón (GPP) de THz. Esta eficiencia de conversión tan baja es un problema, sobre todo cuando se usan láseres de potencia moderada (en el artículo se usa una densidad de potencia de 2,5 × 1010 W/cm2 para pulsos de 2 ps).

Dibujo20171727 symmetric modes for two gate voltages nature photonics s41566-017-0054-7

En resumen, la banda de frecuencias extremadamente altas (EHF), como denomina a la banda de los terahercios la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU) tiene un futuro esplendoroso. Siendo el nicho natural para los dispositivos basados en grafeno, su gran problema actual son las dificultades asociadas a la producción industrial masiva de dispositivos basados en este material. Sin embargo, se está avanzando mucho y los 2020 prometen ser la década del grafeno.

7 comentarios

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Gabriel Gabriel

Muy interesante, aunque me surge una pregunta: ¿cómo pueden los terahercios reemplazar a los rayos x? Entiendo que la penetración debe ser muy muy baja, del orden del milímetro, no veo forma así de hacer una placa o tomografía.

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

Gabriel, los rayos T (otro nombre de los terahercios) no pueden reemplazar a los rayos X en todas las aplicaciones (como en las tomografías que mencionas), pero sí en muchas de ellas; pueden atravesar la ropa y las capas superficiales de la piel, funciones para las que se usan los rayos X, que penetran mucho más allá de la cuenta.

Miguel Berrio Miguel Berrio

Hola,
Una duda que me produce este material es su aplicación real y capacidad de cambiar como hacemos ciertas cosas ahora.

Reconozco que no soy nada técnico y el artículo me supera, pero desde hace un tiempo vengo escuchando del grafeno y lo que me interesa de este tema es el efecto que este material pueda tener en un futuro sobre el día a día de las personas.

Hace un tiempo el grafeno estaba en boca de todos como el material que iba a revolucionar el mundo, pero parece que está un poco estancado.

Hay a corto medio plazo realmente aplicaciones prácticas para el grafeno que vayan a tener un impacto considerable a nivel social, económico y de uso para la gente corriente?

Es normal que el desarrollo de estos materiales lleve su tiempo o estamos ante algo que prometía pero que para ponerlo en práctica no es viable?

Gracias !

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

Miguel, lo normal es que el desarrollo de aplicaciones para nuevos materiales lleve su tiempo (lustros o décadas); sobre todo porque deben encontrar su nicho específico. Pretender que el silicio sea sustituido por el grafeno en un par de lustros (el grafeno se caracterizó en 2004 y recibió el Nobel en 2010) es puro sensacionalismo. Hoy en día cuesta unos 100 euros un procesador con mil millones de transistores de silicio; un solo transistor de grafeno cuesta unos mil euros; nadie puede concebir un procesador con mil millones de transistores de grafeno (no hay quien tenga dinero para pagarlo). ¿Cómo esperar que ahora mismo el grafeno sustituya al silicio? La economía es así, sencilla, muy sencilla, aunque sea fácil olvidarlo.

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