Un equipo dirigido por Alexander Holleitner y Reinhard Kienberger, profesores de Física de la Universidad Técnica de Munich (TUM), ha logrado por primera vez la generación de pulsos cortos eléctricos en un chip usando antenas de metal de solo unos pocos nanómetros de tamaño, y luego ejecutan las señales unos milímetros por encima de la superficie y las vuelven a leer de forma controlada. La tecnología permite el desarrollo de nuevos y potentes componentes de terahercios.

La electrónica clásica permite frecuencias de hasta alrededor de 100 gigahercios. La optoelectrónica utiliza fenómenos electromagnéticos que comienzan en 10 terahercios. Este rango intermedio se conoce como “brecha de terahercios” (terahertz gap), ya que los componentes para la generación, conversión y detección de señales han sido extremadamente difíciles de implementar.

Los físicos de la TUM Alexander Holleitner y Reinhard Kienberger lograron generar pulsos eléctricos en el rango de frecuencia de hasta 10 terahercios usando diminutas antenas plasmónicas y ejecutarlas sobre un chip. Los investigadores llaman a las antenas plasmónicas, cuando, debido a su forma, amplifican la intensidad de la luz en las superficies metálicas.

Antenas asimétricas
La forma de las antenas es importante. Son asimétricas: un lado de las estructuras metálicas del tamaño de un nanómetro es más puntiagudo que el otro. Cuando un pulso láser enfocado en la lente excita las antenas, emiten más electrones en su lado puntiagudo que en los planos opuestos. Una corriente eléctrica fluye entre los contactos, pero solo mientras las antenas estén excitadas con la luz láser. "En la foto emisión, el pulso de luz hace que los electrones se emitan desde el metal al vacío", explica Christoph Karnetzky, autor principal del trabajo de Nature. "Todos los efectos de iluminación son más fuertes en el lado puntiagudo, incluida la foto emisión que usamos para generar una pequeña cantidad de corriente".

Señales de terahercios ultracortas
Los pulsos de luz duraron solo unos pocos femtosegundos. Como resultado, los pulsos eléctricos en las antenas fueron cortos. Técnicamente, la estructura es particularmente interesante porque las nano-antenas se pueden integrar en circuitos de terahercios de apenas varios milímetros de diámetro. De esta forma, un pulso láser de femtosegundos con una frecuencia de 200 terahercios podría generar una señal de terahercios ultracorta con una frecuencia de hasta 10 terahercios en los circuitos del chip, según Karnetzky.

Los investigadores utilizaron el zafiro como material del chip porque no puede ser estimulado ópticamente y, por lo tanto, no causa interferencia. Con vistas a futuras aplicaciones, utilizaron láseres de longitud de onda de 1,5 micrones desplegados en cables de fibra óptica tradicionales de Internet.

Un descubrimiento sorprendente.
Holleitner y sus colegas hicieron otro descubrimiento sorprendente: tanto los pulsos eléctricos como los de terahercios no dependían linealmente de la potencia de excitación del láser utilizado. Esto indica que la foto emisión en las antenas se desencadena por la absorción de fotones múltiples por pulso de luz. "Tales pulsos rápidos no lineales en el chip no existían hasta ahora", afirma Alexander Holleitner. Utilizando este efecto, espera descubrir efectos de emisión de túnel aún más rápidos en las antenas y usarlos para aplicaciones de chips.