Grafeno para amplificar las señales de GHz a THz

El grafeno, una capa de átomos de carbono dispuestos en hexágonos y de un átomo de grosor, es el material más fino y resistente conocido por el ser humano y, además, un conductor excelente del calor y la electricidad. En 2004, se descubrió cómo extraerlo a partir del grafito y desde entonces ha abierto todo un abanico de nuevas posibilidades cientificotecnológicas. Durante el último decenio, son muchos los que han predicho que su estructura singular lo haría especialmente eficaz en la conversión de señales ópticas o electrónicas en señales a frecuencias mucho mayores. No obstante, los intentos por demostrarlo no han dado frutos.

Ahora, por vez primera, un equipo de científicos, dos de los cuales reciben el apoyo del proyecto financiado con fondos europeos EUCALL, ha demostrado que el grafeno es capaz de convertir señales electrónicas al rango de los terahercios, esto es, billones de ciclos por segundo. Los descubrimientos de dicho equipo se presentaron en un estudio publicado en la revista «Nature».

Interacción no lineal

Los componentes electrónicos basados en el silicio que se utilizan hoy en día generan frecuencias en el rango de los GHz, esto es, miles de millones de ciclos por segundo. Los científicos al cargo demostraron que el grafeno es capaz de convertir señales a estas frecuencias en otras a frecuencias mil veces superiores que las creadas por el silicio.

Esto es así gracias a la interacción no lineal enormemente eficiente entre la luz y la materia que se produce en el grafeno. Los investigadores a cargo del estudio emplearon grafeno con una gran cantidad de electrones libres que se originaron por la interacción entre el grafeno y el sustrato sobre el que se depositó. Cuando un campo eléctrico pulsante a temperatura ambiente excita estos electrones, comparten rápidamente su energía con electrones atrapados en el material. Dichos electrones reaccionan a su vez como un fluido calentado, cambiando de fase líquida a vapor desde el interior del grafeno en billonésimas de segundo. Esta transición genera cambios rápidos y potentes en la conductividad del material y multiplica la frecuencia de los pulsos en GHz originales.

«Hoy hemos logrado la primera demostración directa de la multiplicación de la frecuencia de gigahercios a terahercios en una monocapa de grafeno y la generación de señales electrónicas en el rango de los terahercios con una eficiencia notable», afirmó el coautor del trabajo y científico experimentado del Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), el doctor Michael Gensch en una nota de prensa publicada en el sitio web del socio del proyecto.

Una eficiencia de conversión elevada

Las frecuencias de los pulsos electromagnéticos originales que se generaron en la instalación de terahercios TELBE del HZDR fueron de entre 300 y 680 GHz. Los científicos las convirtieron en señales de tres, cinco y siete veces la frecuencia original. «Esta eficiencia en la conversión es notablemente grande, sobre todo si se tiene en cuenta que la interacción electromagnética se produce en una capa de un átomo de grosor», aclaran los autores en su estudio.

El descubrimiento revolucionario respaldado por EUCALL (European Cluster of Advanced Laser Light Sources) convierte al grafeno en un candidato prometedor para su empleo en la nanoelectrónica del futuro.

Para más información, consulte:
Sitio web del proyecto EUCALL