Fuente de radiación de terahercios: Compacta y sencilla

Una fuente de radiación novedosa, sencilla y extremadamente compacta para las ondas de terahercios: Las aplicaciones posibles son múltiples.

13.01.2022 - Austria

La radiación de terahercios tiene una longitud de onda de algo menos de un milímetro, un rango técnicamente difícil. Las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda pueden generarse con componentes electrónicos ordinarios (como transistores) y antenas. Las longitudes de onda más pequeñas pueden obtenerse con fuentes de luz ordinarias, como láseres o LEDs. Sin embargo, el rango de terahercios intermedio sigue siendo un reto técnico. Sin embargo, la radiación en este rango puede ser muy útil. Es necesaria en muchos ámbitos, desde los ensayos de materiales o el control de seguridad de los aeropuertos hasta la radioastronomía, y quizá también en los futuros sistemas de telecomunicaciones.

La Universidad de Viena ha conseguido crear una fuente de radiación de terahercios extremadamente sencilla y compacta: Un oscilador con diodos de doble resonancia. Su potencia de radiación supera con creces la de otros dispositivos similares. La nueva tecnología se ha publicado en la revista científica Applied Physics Letters.

Tamaño de chip en lugar de mesa de laboratorio

"Hoy en día hay varias formas de generar ondas de terahercios", explica el profesor Michael Feiginov (Instituto de Electrodinámica, Microondas e Ingeniería de Circuitos, TU Wien). Por ejemplo, se pueden utilizar láseres de cascada cuántica. Con ellos es posible alcanzar altas intensidades, pero hay que enfriarlos a temperaturas muy bajas. También se pueden utilizar sistemas fotónicos grandes y complicados, con varios láseres ópticos cuya radiación se mezcla para producir longitudes de onda más largas. Esto permite producir las longitudes de onda deseadas de forma muy flexible. "Sin embargo, nuestro objetivo era desarrollar una fuente de terahercios sencilla y extremadamente compacta", subraya Michael Feiginov. "Si queremos una tecnología que se incorpore a los dispositivos cotidianos en el futuro, las fuentes de terahercios deben ser pequeñas y funcionar a temperatura ambiente normal".

Para ello, el equipo no ha utilizado ahora láseres ópticos ni de cascada cuántica, sino simples osciladores. "Los osciladores son algo bastante común en ingeniería eléctrica", dice Petr Ouředník (TU Viena), primer autor de la presente publicación. Si ciertos componentes electrónicos, como bobinas y condensadores, están acoplados, la energía fluye de un lado a otro entre ellos, generando así radiación electromagnética. "Pero el problema suelen ser las pérdidas, que se pueden imaginar como una resistencia eléctrica", dice Petr Ouředník. "Normalmente, esto hace que las oscilaciones en estos circuitos resonantes se paralicen al cabo de muy poco tiempo".

Truco cuántico para la resistencia negativa

Sin embargo, esto se puede cambiar con trucos de física cuántica: "Utilizamos diodos de túnel resonante, donde la corriente fluye entre dos barreras como resultado del túnel", dice Petr Ouředník. "El pozo cuántico entre las barreras es especialmente estrecho en nuestras estructuras, por lo que sólo pueden existir allí estados de electrones muy específicos y muy pocos". Aplicando un voltaje, se pueden cambiar estos estados de los electrones y sus energías.

Normalmente, el flujo de corriente aumenta cuando se incrementa la tensión eléctrica; la resistencia eléctrica indica hasta qué punto. Sin embargo, en los diodos de túnel resonante es posible el efecto contrario: si aumenta la tensión, puede ocurrir que los estados de los electrones en el pozo cuántico dejen de coincidir con los estados de los electrones en las otras partes de la estructura. Esto significa que los electrones ya no pueden cruzar de una zona a otra, y el flujo de corriente disminuye en lugar de aumentar. Esto significa: la resistencia eléctrica se vuelve negativa. "Una resistencia negativa en el circuito oscilante, sin embargo, significa que el circuito oscilante no pierde su energía, sino que la gana. Las oscilaciones electromagnéticas continúan por sí mismas y la corriente continua externa se convierte en radiación de terahercios", afirma Michael Feiginov.

De los teléfonos móviles a la radioastronomía

Lo más destacable de esta tecnología no es sólo la intensidad considerablemente alta de la radiación de terahercios, sino sobre todo su pequeño tamaño: toda la estructura es considerablemente más pequeña que un milímetro. Por tanto, sería potencialmente adecuada para incorporarla a dispositivos compactos, como los teléfonos inteligentes.

"Hay tantas ideas de aplicación que ni siquiera podemos decir hoy cuál es la más realista", dice Michael Feiginov. "La gama de terahercios se utiliza en radioastronomía, se puede usar para ver a través de objetos ópticamente opacos, por ejemplo en los controles de seguridad de los aeropuertos o incluso en los ensayos de materiales. Otra aplicación interesante son los sensores químicos: se pueden reconocer diferentes moléculas por el hecho de que absorben frecuencias muy específicas en el rango de los terahercios. Todas estas tecnologías se beneficiarán de fuentes de terahercios sencillas y compactas, y a eso queríamos contribuir de forma importante".

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