Material cuántico como potenciador de terahercios

Un nuevo estudio aclara un enigma fundamental sobre los aislantes topológicos

25.10.2021 - Alemania

Se consideran materiales muy interesantes para la electrónica del futuro: los aislantes topológicos conducen la electricidad de forma especial y prometen nuevos tipos de circuitos y comunicaciones móviles más rápidas. Un equipo de investigación de Alemania, España y Rusia, dirigido por el Centro Helmholtz Dresden-Rossendorf (HZDR), ha desvelado ahora una propiedad fundamental de la nueva clase de materiales: ¿Cómo reaccionan en detalle los electrones del material cuando se les "sobresalta" con pulsos cortos de la llamada radiación de terahercios?

Los resultados no sólo son importantes para la comprensión fundamental de estos novedosos materiales cuánticos, sino que también podrían proporcionar una comunicación de datos móvil más rápida en el futuro o utilizarse en sistemas de detección de alta sensibilidad para la exploración de mundos lejanos, como informa el equipo en la revista NPJ Quantum Materials.

Los aislantes topológicos son una clase aún joven de materiales con una propiedad cuántica especial: en su superficie pueden conducir la electricidad casi sin pérdidas, mientras que su interior actúa como un aislante - no puede fluir la corriente en absoluto. Esto promete interesantes perspectivas para el futuro: los aislantes topológicos podrían servir de base para componentes electrónicos de gran eficacia, lo que los convierte en un interesante campo de investigación en física.

Sin embargo, algunas cuestiones fundamentales siguen abiertas: Por ejemplo, ¿qué ocurre cuando los electrones del material son "empujados" con determinadas ondas electromagnéticas -la llamada radiación de terahercios- y, por tanto, excitados energéticamente? Una cosa está clara: los electrones quieren deshacerse lo antes posible del aumento de energía forzado, por ejemplo, calentando la red cristalina que los rodea. Pero en el caso de los aislantes topológicos, antes se cuestionaba si esta liberación de energía se produce más rápidamente en la superficie conductora que en el núcleo aislante. "Para determinarlo, han faltado experimentos adecuados", explica el director del estudio, el Dr. Sergey Kovalev, del Instituto de Física de la Radiación de la HZDR. "Hasta ahora era muy difícil distinguir entre la reacción de la superficie y la del interior del material a temperatura ambiente".

Para superar este obstáculo, desarrolló un sofisticado montaje experimental junto con un equipo internacional: Unos intensos pulsos de terahercios golpean la muestra y excitan los electrones. Inmediatamente después, los destellos del láser iluminan el material y registran cómo reacciona la muestra al estímulo de terahercios. En una segunda serie de experimentos, unos detectores especiales miden hasta qué punto la muestra muestra un efecto no lineal inusual y multiplica la frecuencia de los pulsos de terahercios entrantes. Kovalev realizó estos experimentos en la fuente de luz de terahercios TELBE, en el Centro ELBE de Fuentes de Radiación de Alta Potencia de la HZDR. Participaron investigadores del Instituto Catalán de Nanociencias y Nanotecnología de Barcelona, la Universidad de Bielefeld, el Centro Aeroespacial Alemán (DLR), la Universidad Técnica de Berlín, así como la Universidad Lomonosov y el Instituto Kotelnikov de Radioingeniería y Electrónica de Moscú.

Transferencia rápida de energía

El factor decisivo fue que el equipo no examinó sólo un material. En cambio, los socios rusos del proyecto produjeron tres aislantes topológicos diferentes con propiedades distintas y ajustadas con precisión: en uno, sólo los electrones de la superficie podían absorber directamente la energía de los pulsos de terahercios; en los otros, se excitaban principalmente los electrones del interior de la muestra. "La combinación de estos tres experimentos nos permitió distinguir con precisión entre el comportamiento de la superficie y el del interior del material", explica Kovalev. "Y efectivamente, los electrones de la superficie se excitan mucho más rápido que los del interior del material". Al parecer, fueron capaces de transferir su energía inmediatamente a la red cristalina del material.

En números: Si los electrones de la superficie volvieron a su estado energético original tras unos cientos de femtosegundos, los electrones "internos" tardaron unas diez veces más, es decir, unos pocos picosegundos. "Los aislantes topológicos son sistemas muy complejos, son cualquier cosa menos sencillos de entender teóricamente", subraya Michael Gensch, antiguo director de la instalación TELBE en el HZDR y actual jefe de departamento del Instituto de Sistemas de Sensores Ópticos del DLR y profesor de la TU de Berlín. "Nuestros resultados pueden ayudar a decidir cuáles son las ideas teóricas aplicables".

Multiplicación muy eficaz

Pero el experimento también promete interesantes perspectivas para la comunicación digital, como la WLAN y las comunicaciones móviles. Tecnologías como la 5G operan hoy en día en el rango de los gigahercios. Si se pudieran utilizar frecuencias más altas en la gama de terahercios, se podrían transmitir muchos más datos por un solo canal de radio. Los llamados multiplicadores de frecuencia podrían desempeñar un papel importante en este sentido: Son capaces de traducir frecuencias de radio relativamente bajas en otras mucho más altas.

Hace algún tiempo, el equipo de investigación se dio cuenta de que el grafeno -carbono bidimensional y superfino- puede servir de eficaz multiplicador de frecuencias en determinadas condiciones. Es capaz de convertir la radiación de 300 gigahercios en frecuencias de unos pocos terahercios. El problema: si la radiación entrante es extremadamente intensa, el grafeno pierde mucha eficacia. Los aislantes topológicos, en cambio, siguen funcionando incluso bajo la excitación más intensa, según el resultado del nuevo estudio. "Esto podría permitir multiplicar las frecuencias desde unos pocos terahercios hasta varias decenas de terahercios", opina el físico del HZDR, el doctor Jan-Christoph Deinert, que dirige el equipo del TELBE junto con Kovalev. "Hasta ahora, no vemos un final para los aislantes topológicos".

Esto significa que los nuevos materiales cuánticos podrían utilizarse en una gama de frecuencias mucho más amplia que el grafeno, por ejemplo. "En el DLR estamos muy interesados en utilizar estos materiales cuánticos en potentes receptores heterodinos para la astronomía, especialmente en telescopios espaciales", explica Gensch.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Alemán se puede encontrar aquí.

Publicación original

S. Kovalev, K.-J. Tielrooij, J.-C. Deinert, I. Ilyakov, N. Awari, M. Chen, A. Ponomaryov, M. Bawatna, T.V.A.G. de Oliveira, L.M. Eng, K.A. Kuznetsov, G.Kh. Kitaeva, P.I. Kuznetsov, H.A. Hafez, D. Turchinovich, M. Gensch: Terahertz signatures of ultrafast Dirac fermion relaxation at the surface of topological insulators at room temperature, in NPJ Quantum Materials 2021

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