Ilustración de una lente paraeléctrica cuántica (sección transversal) que enfoca pulsos de luz con frecuencias de 5 a 15 terahercios. Los pulsos de luz de terahercios entrantes (rojo, arriba a la izquierda) se convierten en polaritones de fonones superficiales (triángulos amarillos) mediante rejillas de polímero en forma de anillo y resonadores de disco (gris) sobre un sustrato de titanato de estroncio (azul). El ancho de los triángulos amarillos representa el campo eléctrico creciente de los polaritones de fonones a medida que se propagan a través de cada intervalo de rejilla antes de llegar al resonador de disco que enfoca y mejora la luz saliente (rojo, arriba a la derecha). Un modelo de la estructura atómica de una molécula de titanato de estroncio en la parte inferior izquierda muestra el movimiento de los átomos de titanio (azul), oxígeno (rojo) y estroncio (verde) en el modo de oscilación fonón-polaritón. Crédito: Laboratorio Zhu/Universidad Rice
La luz visible es una mera fracción del espectro electromagnético, y la manipulación de las ondas de luz a frecuencias más allá de la visión humana ha permitido tecnologías como los teléfonos móviles y las tomografías computarizadas.
Los investigadores de la Universidad de Rice tienen un plan para aprovechar una parte del espectro que no se usaba anteriormente.
«Existe una brecha notable en la luz infrarroja media y lejana, aproximadamente las frecuencias de 5 a 15 terahercios y longitudes de onda que van desde 20 a 60 micrómetros, para las cuales no existen buenos productos comerciales en comparación con frecuencias ópticas más altas y frecuencias de radio más bajas. «, dijo Rui Xu, estudiante de doctorado de tercer año en Rice y autor principal de un artículo publicado en Materiales avanzados.
La investigación se realizó en el Laboratorio de Materiales Ultrarrápidos y Cuánticos Emergentes del coautor Hanyu Zhu, presidente de William Marsh Rice y profesor asistente de ciencia de materiales y nanoingeniería.
En la imagen se muestran tres muestras de concentradores de campo de terahercios ultrarrápidos fabricados por el estudiante graduado Rui Xu en el Laboratorio de Materiales Ultrarrápidos y Cuánticos Emergentes de la Universidad de Rice. Las capas inferiores (visibles como cuadrados blancos) están hechas de titanato de estroncio con estructuras concentradoras (dispositivos microscópicos de anillos concéntricos que concentran frecuencias de terahercios de luz infrarroja) estampadas en sus superficies. Las matrices son visibles con un microscopio (recuadro) pero tienen la apariencia de un patrón de puntos de grano fino cuando se observan a simple vista. Crédito: Gustavo Raskosky/recuadro añadido por Rui Xu/Universidad Rice
«Las tecnologías ópticas en esta región de frecuencia, a veces llamada ‘la nueva brecha de terahercios’ porque es mucho menos accesible que el resto de la ‘brecha’ de 0,3-30 terahercios, podría ser muy útil para estudiar y desarrollar materiales cuánticos para la electrónica cuántica más cercana a temperatura ambiente, además de detectar grupos funcionales en biomoléculas para el diagnóstico médico», dijo Zhu.
El desafío al que se enfrentan los investigadores ha sido identificar los materiales adecuados para transportar y procesar la luz en la «nueva brecha de terahercios». Esta luz interactúa fuertemente con las estructuras atómicas de la mayoría de los materiales y es rápidamente absorbida por ellos. El grupo de Zhu ha aprovechado la fuerte interacción con el titanato de estroncio, un óxido de estroncio y titanio.
«Sus átomos se acoplan con la luz de terahercios con tanta fuerza que forman nuevas partículas llamadas fonones-polaritones, que se limitan a la superficie del material y no se pierden en su interior», dijo Xu.
A diferencia de otros materiales que admiten polaritones de fonones en frecuencias más altas y, por lo general, en un rango estrecho, el titanato de estroncio funciona para toda la brecha de 5 a 15 terahercios debido a una propiedad llamada paraelectricidad cuántica. Sus átomos exhiben grandes fluctuaciones cuánticas y vibran aleatoriamente, por lo que capturan la luz de manera efectiva sin quedar atrapados por la luz capturada, incluso a cero grados Kelvin.
«Probamos el concepto de dispositivos de polaritón de fonón de titanato de estroncio en el rango de frecuencia de 7-13 terahercios mediante el diseño y la fabricación de concentradores de campo ultrarrápidos», dijo Xu. «Los dispositivos comprimen el pulso de luz en un volumen más pequeño que la longitud de onda de la luz y mantienen la corta duración. Por lo tanto, logramos un fuerte campo eléctrico transitorio de casi un gigavoltio por metro».
El campo eléctrico es tan fuerte que puede usarse para cambiar la estructura de los materiales para crear nuevas propiedades electrónicas o para crear una nueva respuesta óptica no lineal a partir de pequeñas cantidades de moléculas específicas que pueden detectarse con un microscopio óptico común. Zhu dijo que la metodología de diseño y fabricación desarrollada por su grupo es aplicable a muchos materiales disponibles comercialmente y podría habilitar dispositivos fotónicos en el rango de 3-19 terahercios.
Otros coautores del artículo son Xiaotong Chen, investigador postdoctoral en ciencia de materiales y nanoingeniería; Elizabeth Blackert y Tong Lin, estudiantes de doctorado en ciencia de materiales y nanoingeniería; Jiaming Luo, estudiante de doctorado de tercer año en física aplicada; Alyssa Moon, ahora en la Universidad Texas A&M y anteriormente inscrita en Rice en el Programa de Experiencia en Investigación en Nanotecnología para Estudiantes Universitarios; y Khalil JeBailey, estudiante de último año en ciencia de materiales y nanoingeniería en Rice.
Más información:
Rui Xu et al, Phonon Polaritonics en un amplio rango de frecuencia de terahercios con Quantum Paraelectric SrTiO3, Materiales avanzados (2023). DOI: 10.1002/adma.202302974
Citación: El descubrimiento puede conducir a la tecnología de terahercios para la detección cuántica (20 de julio de 2023) recuperado el 20 de julio de 2023 de https://phys.org/news/2023-07-discovery-terahertz-technology-quantum.html
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