Imagen. / Sampson Wilcox/Research Laboratory of Electronics

Imagínese cómo funciona una llamada telefónica: su voz se convierte en señales electrónicas, se eleva a frecuencias más altas, se transmite a largas distancias y luego se vuelve a bajar para que pueda escucharse claramente en el otro extremo. El proceso que permite este cambio de frecuencias de señal se llama mezcla de frecuencias y es esencial para tecnologías de comunicación como la radio y el wifi. Los mezcladores de frecuencia son componentes vitales en muchos dispositivos electrónicos y, por lo general, funcionan con frecuencias que oscilan entre miles de millones (GHz, gigahertz) y billones (THz, terahertz) de veces por segundo. 

Imaginemos ahora un mezclador de frecuencias que funciona a un cuatrillón (PHz, petahertz) de veces por segundo, es decir, hasta un millón de veces más rápido. Este rango de frecuencias corresponde a las oscilaciones de los campos eléctricos y magnéticos que forman las ondas de luz. Los mezcladores de frecuencias de petahertz nos permitirían elevar las señales hasta frecuencias ópticas y luego volver a bajarlas hasta frecuencias electrónicas más convencionales, lo que permitiría la transmisión y el procesamiento de cantidades mucho mayores de información a velocidades mucho mayores. Este salto de velocidad no consiste sólo en hacer las cosas más rápido, sino en permitir capacidades completamente nuevas.

La electrónica de ondas de luz (o electrónica de petahercios) es un campo emergente que tiene como objetivo integrar sistemas ópticos y electrónicos a velocidades increíblemente altas, aprovechando las oscilaciones ultrarrápidas de los campos de luz. La idea clave es aprovechar el campo eléctrico de las ondas de luz, que oscilan en escalas de tiempo de subfemtosegundos (10-15 ^segundos ), para impulsar directamente los procesos electrónicos. Esto permite el procesamiento y la manipulación de información a velocidades mucho más allá de lo que es posible con las tecnologías electrónicas actuales. En combinación con otros circuitos electrónicos de petahercios, un mezclador electrónico de petahercios nos permitiría procesar y analizar grandes cantidades de información en tiempo real y transferir mayores cantidades de datos por el aire a velocidades sin precedentes. La demostración del equipo del MIT de un mezclador electrónico de ondas de luz a frecuencias de escala de petahercios es un primer paso para hacer que la tecnología de las comunicaciones sea más rápida y hace avanzar la investigación hacia el desarrollo de nuevos circuitos electrónicos de ondas de luz miniaturizados capaces de manejar señales ópticas directamente a escala nanométrica.

En la década de 1970, los científicos comenzaron a explorar formas de extender la mezcla de frecuencias electrónicas al rango de los terahercios utilizando diodos. Si bien estos primeros esfuerzos resultaron prometedores, el progreso se estancó durante décadas. Sin embargo, recientemente, los avances en nanotecnología han reavivado esta área de investigación. Los investigadores descubrieron que estructuras diminutas como puntas de agujas de escala nanométrica y antenas plasmónicas podrían funcionar de manera similar a esos primeros diodos, pero a frecuencias mucho más altas.

Un estudio reciente de acceso abierto publicado en Science Advances por Matthew Yeung, Lu-Ting Chou, Marco Turchetti, Felix Ritzkowsky, Karl K. Berggren y Phillip D. Keathley del MIT ha demostrado un avance significativo. Desarrollaron un mezclador de frecuencia electrónico para la detección de señales que opera más allá de 0,350 PHz utilizando nanoantenas diminutas. Estas nanoantenas pueden mezclar diferentes frecuencias de luz, lo que permite el análisis de señales que oscilan órdenes de magnitud más rápido que las más rápidas accesibles a la electrónica convencional. Estos dispositivos electrónicos de petahertz podrían permitir desarrollos que en última instancia revolucionarían campos que requieren un análisis preciso de señales ópticas extremadamente rápidas, como la espectroscopia y la obtención de imágenes, donde la captura de dinámicas a escala de femtosegundos es crucial (un femtosegundo es una millonésima de una milmillonésima de segundo).

El estudio del equipo destaca el uso de redes de nanoantenas para crear un mezclador de frecuencias ópticas electrónico de banda ancha en un chip. Este enfoque innovador permite la lectura precisa de formas de onda ópticas que abarcan más de una octava de ancho de banda. Es importante destacar que este proceso funcionó utilizando un láser comercial listo para usar que se puede comprar en el mercado, en lugar de un láser altamente personalizado.

Si bien es posible realizar mezclas de frecuencias ópticas utilizando materiales no lineales, el proceso es puramente óptico (es decir, convierte la entrada de luz en salida de luz a una nueva frecuencia). Además, los materiales deben tener un espesor de muchas longitudes de onda, lo que limita el tamaño del dispositivo a la escala micrométrica (un micrómetro es una millonésima parte de un metro). En cambio, el método de ondas de luz-electrónica demostrado por los autores utiliza un mecanismo de tunelización impulsado por luz que ofrece altas no linealidades para la mezcla de frecuencias y la salida electrónica directa utilizando dispositivos a escala nanométrica (un nanómetro es una milmillonésima parte de un metro).

Si bien este estudio se centró en caracterizar pulsos de luz de diferentes frecuencias, los investigadores prevén que dispositivos similares permitirán construir circuitos utilizando ondas de luz. Este dispositivo, con anchos de banda que abarcan varias octavas, podría proporcionar nuevas formas de investigar interacciones ultrarrápidas entre luz y materia, acelerando los avances en tecnologías de fuentes ultrarrápidas. 

Este trabajo no solo amplía los límites de lo que es posible en el procesamiento de señales ópticas, sino que también cierra la brecha entre los campos de la electrónica y la óptica. Al conectar estas dos importantes áreas de investigación, este estudio allana el camino para nuevas tecnologías y aplicaciones en campos como la espectroscopia, la imagenología y las comunicaciones, y en última instancia, hace avanzar nuestra capacidad para explorar y manipular la dinámica ultrarrápida de la luz.

La investigación fue inicialmente financiada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de los EE. UU. La investigación en curso sobre la mezcla armónica se basa en el trabajo respaldado por el Departamento de Energía de los EE. UU., la Oficina de Ciencias, la Oficina de Ciencias Básicas de la Energía. Matthew Yeung agradece el apoyo de becas de MathWorks, el Programa de Becas de Investigación de Posgrado de la Fundación Nacional de Ciencias de los EE. UU. y la Beca de Investigación Postdoctoral MPS-Ascend. Lu-Ting Chou agradece el apoyo financiero del Ministerio de Educación de China para el Programa de Pasantías en el Extranjero del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de China para el programa de becas de doctorado. Este trabajo se llevó a cabo, en parte, mediante el uso de MIT.nano.

Autor

Autor

MIT

Promover la investigación, las innovaciones, la enseñanza y los eventos y las personas de interés periodístico del MIT a la comunidad del campus, los medios de comunicación y el público en general, Comunicar anuncios del Instituto, Publicar noticias de la comunidad para profesores, estudiantes, personal y ex alumnos del MIT. Proporcionar servicios de medios a los miembros de la comunidad, incluido el asesoramiento sobre cómo trabajar con periodistas, Responder a consultas de los medios y solicitudes de entrevistas...