Una nueva investigación de la Universidad de Maryland (UMD) podría dar lugar a una generación de detectores de luz que pueden ver por debajo de la superficie de cuerpos, paredes y otros objetos.

Foto de Portada Xinghan Cai en laboratorio de UMD – Credito UMD

Utilizando las propiedades especiales del grafeno, una forma bidimensional de carbono que es de tan sólo un átomo de grosor, un prototipo de detector es capaz de ver una extraordinariamente amplia banda de longitudes de onda de luz. En este rango se incluye una banda de longitudes de onda de luz que presenta interesantes aplicaciones potenciales, pero que es extremadamente difícil de detectar: ondas de terahercios, que son invisibles para el ojo humano.

Un trabajo de investigación sobre el nuevo detector fue publicado online el 7 de septiembre 2014 en la revista Nature Nanotechnology. Para su autor principal Xinghan Cai, un estudiante graduado en física de la UMD, un detector como el del prototipo de las investigaciones «podría tener aplicaciones en los campos emergentes de terahercios tales como las comunicaciones móviles, imágenes médicas, detección química, la visión nocturna y la seguridad.»

Temperatura extremadamente fría para detector de terahercios

La luz que vemos al iluminar objetos cotidianos en realidad supone sólo una banda muy estrecha de longitudes de onda de luz y frecuencias. Las longitudes de onda de terahercios, las longitudes de onda larga y las longitudes de onda de baja frecuencia se encuentran entre las microondas y las ondas infrarrojas. La luz en estas longitudes de onda terahercio puede pasar a través de materiales que normalmente consideramos como opacos, como la piel, plásticos, ropa y cartón. También se puede utilizar para identificar firmas químicas que se emiten sólo en el rango de los terahercios.

Actualmente se realizan pocas aplicaciones tecnológicas para la detección de terahercios, en parte debido a que es difícil de detectar longitudes de onda de luz en este rango. Con el fin de mantener la sensibilidad, la mayoría de los detectores deben mantenerse en condiciones de frio extremo, alrededor de 4 grados Kelvin, o -452 grados Fahrenheit. Los detectores existentes que funcionan a temperatura ambiente son voluminosos, lentos y prohibitivamente caros.

Nuevo detector basado en grafeno

El nuevo detector de temperatura ambiente, desarrollado por el equipo de la  UMD y sus colegas del U.S.  Naval Research Lab y de la Universidad de Monash, Australia, consigue evitar estos problemas mediante el uso de grafeno, una sola capa de átomos de carbono interconectados. Mediante la utilización de las propiedades especiales del grafeno, el equipo de investigación ha sido capaz de aumentar la velocidad y mantener la sensibilidad de detección de la onda en el rango de los terahercios en temperatura ambiente.

Utilizando un nuevo principio de funcionamiento llamado el efecto “photothermoelectric hot-electrón», (electrón caliente fototermoeléctrico) el equipo de investigación ha creado un dispositivo que es «tan sensible como cualquier detector de temperatura ambiente existente en el rango de los terahercios y más de un millón de veces más rápido», dice Michael Führer, profesor de física en UMD y la Universidad de Monash.

El grafeno, una lámina de carbono puro de tan sólo un átomo de espesor, es específicamente adecuado para su uso en un detector de terahercios porque cuando la luz es absorbida por los electrones en suspensión en la red de panal del grafeno, no ceden su calor al panal sino que al contrario retienen esa energía.

Funcionamiento

El concepto del detector es simple, dice el Profesor de Física de la UMD Dennis Drew. «La luz es absorbida por los electrones en el grafeno, que se calientan pero no pierden su energía fácilmente. Así que siguen estando calientes, mientras que el panal atómico del carbono permanece frío.» Estos electrones calentados escapan del grafeno a través de los conductores eléctricos, parecido a la forma en que el vapor se escapa de una tetera. El prototipo utiliza dos conductores eléctricos hechos de diferentes metales, que conducen electrones a velocidades diferentes. Debido a esta diferencia de conductividad, más electrones escaparán a través de uno que del otro, produciendo una señal eléctrica”.

Esta señal eléctrica detecta la presencia de ondas de terahercios debajo de la superficie de los materiales que aparecen opacos al ojo humano – o incluso rayos-X. No se puede ver a través de la piel, por ejemplo, y una placa de rayos X va directa a través de la piel hasta el hueso, sin captar las capas que están justo debajo de la superficie de la piel por lo que la imagen se pierde por completo. Sin embargo, las ondas de terahercios pueden ver lo que hay en el medio. La velocidad y la sensibilidad del detector de temperatura ambiente que se presenta en esta investigación abre la puerta a futuros descubrimientos en esta zona intermedia anteriormente no visible.

Esta investigación fue financiada por la Oficina de Investigación Naval (Concesiones núms. N00014911064, N000141310712, N00014441310865), la National Science Foundation (Concesión N º 1.309.750 ECCS) y la Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia. El contenido de este artículo no refleja necesariamente los puntos de vista de estas organizaciones.