Detectar luz y radiación en todo el espectro electromagnético es esencial, pero algunas regiones siguen siendo particularmente difíciles. Uno de ellos es el rango de terahercios (THz), que se sitúa entre las microondas y la luz infrarroja. Los detectores existentes para estas frecuencias suelen ser lentos, carecen de sensibilidad o dependen de equipos grandes y costosos que requieren enfriamiento criogénico frecuente.
Los investigadores han desarrollado ahora un nuevo detector compacto que combina la física cuántica con una metasuperficie especialmente diseñada para mejorar significativamente la forma en que se captura la radiación de terahercios y se convierte en señales eléctricas. Sus resultados fueron publicados recientemente. Fotónica avanzada.
Un método cuántico para la detección de terahercios
El nuevo dispositivo se basa en un fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico en el plano. En este proceso, los fotones de terahercios entrantes transfieren energía a electrones confinados dentro de un gas de electrones bidimensional. Estos electrones energizados pasan a través de un paso de potencial cuidadosamente diseñado, creando una corriente eléctrica que puede medirse.
A diferencia de los detectores fotoeléctricos convencionales, este proceso no requiere que los fotones superen un umbral mínimo de energía. Debido a que el proceso ocurre completamente dentro del plano del material, también evita varias limitaciones de eficiencia que han limitado los diseños de detectores anteriores.
Los detectores anteriores basados en el mismo principio mostraron una sensibilidad prometedora, pero captaron sólo una pequeña fracción de la radiación entrante porque dependían de elementos de antena individuales.
Metasurface concentra la radiación en una pequeña área de detección
Para superar esa limitación, el equipo de investigación diseñó el detector alrededor de una metasuperficie, una estructura modelada que concentra la energía electromagnética en un área extremadamente pequeña.
El dispositivo utiliza un patrón repetido de “ladrillos” que tiene dos propósitos. Recoge la radiación de terahercios entrante y la canaliza hacia espacios estrechos donde tiene lugar el proceso de detección.
Cada espacio actúa como un detector independiente. Al distribuir muchos de estos elementos de detección por la superficie y unirlos electrónicamente, los investigadores pudieron combinar sus salidas en una señal general fuerte.
Este enfoque elimina la necesidad de ópticas externas o complejos conjuntos de detectores. Esto asegura que la radiación entrante se concentre sólo en el área donde contribuye directamente a la generación de la señal.
Integración de la captación y detección de luz
En lugar de diseñar el detector y el sistema de recolección de luz por separado, el equipo comenzó con la propia metasuperficie y construyó los elementos de detección directamente en la región donde el campo eléctrico es más fuerte.
Se incrustaron elementos individuales de detección de pasos fotoeléctricos sintonizables (PETS) dentro del espacio capacitivo de la metasuperficie.
“Esto garantiza una unión óptima de la metasuperficie al material de detección”, señala el autor correspondiente Wladislaw Michailow, quien dirigió la investigación en la Universidad de Cambridge y más tarde en la Universidad de Swansea en el Reino Unido.
“En comparación con el método convencional de conectar varios dispositivos en paralelo, este método nos permite aumentar significativamente la sensibilidad de detección”, añade Michailou.
Los investigadores utilizaron simulaciones por computadora para optimizar características estructurales importantes, incluidas las dimensiones de los espacios y el espacio entre unidades repetidas. Estos parámetros determinan qué tan estrechamente está confinado el campo eléctrico y, en última instancia, cuánta fotocorriente se genera. El diseño final equilibra la mejora del campo con el ancho del canal de electrones para maximizar la producción mensurable.
Diseño compatible con semiconductores
El detector se construyó utilizando una estructura semiconductora que contiene un gas de electrones de alta movilidad. El proceso de fabricación es similar a las técnicas que ya se utilizan para los transistores de efecto de campo, lo que ofrece un camino práctico hacia la integración con los sistemas electrónicos existentes.
Dado que la propia metasuperficie enfoca la radiación entrante, los elementos de enfoque externos, como las lentes de silicona, son innecesarios. Esto simplifica el montaje y puede hacer que la producción a gran escala sea más práctica.
Para probar el dispositivo, los investigadores lo enfriaron a 10 K y lo expusieron a una radiación de alrededor de 1,9 THz. El detector produjo una respuesta eléctrica clara que coincidía con el patrón de modulación de encendido y apagado de la señal entrante.
Una mejora de veinte veces en la eficiencia
Las mediciones revelaron una carga de 2,7 amperios por vatio.
El dispositivo de prueba de concepto logró una eficiencia cuántica externa del 2,1 por ciento a 1,9 THz, lo que representa una mejora de casi veinte veces con respecto a los detectores PETS demostrados anteriormente.
Según los investigadores, gran parte de esta ganancia de rendimiento proviene de la capacidad de la metasuperficie para capturar una fracción mayor de la radiación entrante y enfocarla directamente en la región activa del detector.
Otra ventaja es que el detector funciona con polarización fuente-drenaje cero. Ayuda a reducir el ruido eliminando las corrientes oscuras.
“Los dispositivos son detectores directos que funcionan con polarización cero y, por lo tanto, funcionan sin corriente oscura”, observa el primer autor, Ruqiao Xia, quien construyó y midió los dispositivos como parte de su investigación doctoral en el Grupo de Física de Semiconductores del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge.
Debido a que el diseño se puede escalar geométricamente, el mismo concepto podría adaptarse para su uso en una amplia gama de frecuencias, desde longitudes de onda de microondas hasta infrarrojo medio.
Aplicaciones potenciales en múltiples campos
La arquitectura plana también ofrece ventajas prácticas. Debido a que es compatible con las técnicas estándar de fabricación de semiconductores, el detector se puede integrar directamente con la electrónica en el chip.
El uso de metasuperficies planas elimina la necesidad de una alineación precisa de los componentes ópticos externos, lo que simplifica el empaquetado y la implementación en comparación con muchos sistemas de terahercios existentes.
Los investigadores también creen que la tecnología puede funcionar a temperaturas más altas que muchas plataformas de detectores de la competencia. Detectores PETS similares ya han demostrado su rendimiento a temperaturas alcanzables con crioenfriadores compactos en lugar de requerir refrigeración con helio líquido.
Esto podría ayudar a llenar un vacío importante entre los detectores criogénicos altamente sensibles y los dispositivos de baja sensibilidad a temperatura ambiente, ampliando potencialmente la gama de aplicaciones de terahercios en el mundo real.
La investigación representa la primera demostración de un fotodetector cuántico de metasuperficie basado en un sistema de electrones bidimensional. Al combinar la captura de luz altamente eficiente con un mecanismo de detección cuántica sensible, el trabajo marca un paso importante hacia la superación de desafíos de larga data en la tecnología de terahercios.
“Los resultados son particularmente interesantes debido a las aplicaciones que la tecnología de terahercios podría permitir en redes inalámbricas, atención médica, astronomía, biomedicina, control de calidad de fabricación y más”, comentó el coautor principal David Ritchie del Semiconductor Physics Group.
Al integrar la óptica de la metasuperficie directamente en el detector, los investigadores demuestran cómo los avances en la física cuántica y la ingeniería de materiales pueden ayudar a desbloquear todo el potencial de la tecnología de terahercios.
