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Los materiales cuánticos permitirán avances de fotónica para redes móviles

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Barcelona – Los materiales cuánticos pertenecientes a una familia especifica con propiedades superficiales especiales, los denominados «aislantes topológicos», pueden convertir eficazmente la radiación electromagnética de muy alta frecuencia, una radiación en el régimen de terahercios (THz), lo que supone un gran potencial para aplicaciones tecnológicas.

Así lo demuestra una investigación, que publica la revista Light: Science & Applications, llevada a cabo por un equipo de investigadores coordinado por Klaas-Jan Tielrooij, jefe de grupo en el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) de la ciudad española de Barcelona y Sergey Kovalev, jefe de grupo en el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR, Alemania).

Según los investigadores, estos resultados abren nuevas vías para la tecnología fotónica de THz y su aplicación en el campo de los sensores, de la seguridad nacional y las comunicaciones móviles de sexta generación.

Tielrooij explica que la luz de terahercios, radiación en la parte infrarroja lejana del espectro de emisión, no está todavía plenamente explotada en la tecnología, aunque muestre un gran potencial para muchas aplicaciones en el campo de los sensores, de la seguridad nacional y de las futuras redes móviles de sexta generación.

Según el experto, esta radiación es inofensiva debido a su pequeña energía fotónica, pero puede penetrar en muchos materiales (como la piel, los envases, etc.).

En la última década, varios grupos de investigación han centrado su atención en identificar técnicas y materiales para generar eficazmente las ondas electromagnéticas de THz: entre estos se encuentra el grafeno.

Un mejor rendimiento se ha conseguido ahora mediante los aislantes topológicos (TI) -materiales cuánticos que se comportan como aislantes en el interior mientras presentan propiedades conductoras en la superficie-, según la investigación hecha por el Grupo de Dinámicas Ultrarrápidas en Sistemas a Nanoescala del ICN2 y del Grupo de Fenómenos Impulsados por THz de Alto Campo del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf de Alemania.

Estudios anteriores habían demostrado que los materiales que albergan electrones con masa efectiva nula permiten generar de forma eficaz armónicos de terahercios, entre ellos el ya mencionado grafeno y los aislantes topológicos.

El fenómeno de la generación de armónicos se produce cuando fotones de la misma frecuencia y energía interactúan de forma no lineal con la materia, dando lugar a la emisión de fotones cuya energía es un múltiplo de la de los incidentes.

Tielrooij y sus colegas investigaron el comportamiento de dos aislantes topológicos en comparación directa con una muestra de grafeno de referencia y vieron que, mientras que la potencia máxima de los armónicos generados en el grafeno está limitada por efectos de saturación, en estos materiales cuánticos seguía aumentando.

Los experimentos revelaron una mejora de la potencia de salida generada en órdenes de magnitud con respecto al grafeno, acercándose al régimen de los milivatios.

Según los investigadores, esta divergencia en el comportamiento se debe a que los aislantes topológicos pueden contar con un mecanismo de enfriamiento muy eficiente, en el que las cargas sin masa de la superficie disipan su calor electrónico hacia las del resto de la película, es decir, los electrones del interior echan una mano a los electrones de la superficie substrayéndoles calor electrónico.

La mayor potencia de salida para el tercer armónico de terahercios –es decir, la radiación con el triple de energía– se consiguió en un metamaterial que contenía una película de aislante topológico junto con una rejilla metálica constituida por tiras de metal separadas por huecos en la superficie del material.

«En este trabajo demostramos que el efecto de saturación que se produce en el grafeno es mucho menos perjudicial en los aislantes topológicos. Esto ocurre gracias a un novedoso mecanismo de enfriamiento entre los electrones de la superficie y los del interior de los aislantes topológicos», resume Tielrooij.  AG

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