Tecnología ultrarrápida de terahercios a través de metadispositivos electrónicos

Las telecomunicaciones ultrarrápidas a frecuencias de terahercios ahora son posibles utilizando "metadispositivos electrónicos", que pueden sentar las bases para la próxima generación de dispositivos veloces. La forma en que estos nuevos dispositivos controlan los campos eléctricos es similar a cómo las capas de invisibilidad manipulan la luz, el calor y el sonido, encuentra un nuevo estudio.

A medida que la electrónica se encoge, siguiendo la Ley de Moore, se enfrenta a numerosos desafíos en términos de llegar a aplicaciones prácticas. A menudo, los problemas que encuentran estos dispositivos dan como resultado un rendimiento significativamente peor de lo que cabría esperar, dado el potencial de los materiales semiconductores con los que están hechos.

Por ejemplo, los dispositivos más pequeños pueden contener solo unos pocos voltios debido a los campos eléctricos extremadamente altos, lo que limita la potencia máxima que pueden entregar. Además, las frecuencias operativas máximas de los dispositivos en miniatura a menudo se ven limitadas drásticamente por las inevitables capacitancias parásitas altas. Además, las uniones de túnel de última generación, que se utilizan ampliamente en transistores y diodos, experimentan una alta resistencia de contacto, es decir, resistencia eléctrica en sus puntos de contacto con otros componentes, lo que limita el rendimiento general de los dispositivos.

Para superar estos desafíos, en el nuevo estudio, los investigadores se inspiraron en los recientes avances extraordinarios realizados con metamateriales, que están diseñados para poseer características que generalmente no se encuentran en la naturaleza, como la capacidad de curvar la luz de formas inesperadas. Este trabajo ha dado lugar a capas de invisibilidad que pueden ocultar objetos de la luz, el sonido, el calor y otros tipos de ondas.

Los metamateriales ópticos, que están diseñados para manipular la luz, poseen estructuras con patrones repetitivos a escalas que son más pequeñas que las longitudes de onda de la luz en las que influyen. En el nuevo estudio, los investigadores desarrollaron dispositivos que están diseñados de manera similar, en el sentido de que poseen estructuras de menor escala que las interacciones electromagnéticas colectivas en forma de onda para las que se desarrollaron.

"Desarrollamos nuevos tipos de dispositivos que son alternativas a los transistores y diodos y permiten velocidades mucho más altas", dice el autor principal del estudio, Mohammad Samizadeh Nikoo, ingeniero eléctrico del Instituto Federal de Tecnología de Suiza, en Zúrich. "Llamamos a este concepto 'metadispositivos electrónicos' y puede hacer mucho más de lo que puede hacer un dispositivo normal".

En un dispositivo electrónico convencional, se pueden encontrar dos terminales rectangulares separados por un espacio rectangular. En un metadispositivo electrónico, uno podría ver un par de terminales, cada uno con forma de llave, con los dientes de una llave encajando en los huecos de la otra, y viceversa. El espacio entre estos terminales en forma de llave tiene forma de zigzag en lugar de recto. El tamaño preciso y otras características de los componentes de un metadispositivo electrónico ayudan a determinar qué frecuencias manipula y qué efectos tiene.

Los dispositivos electrónicos normales "se basan en el control de electrones: hay una puerta que deja pasar los electrones o los obliga a detenerse", dice Samizadeh Nikoo. Por el contrario, los metadispositivos electrónicos controlan microondas, ondas milimétricas, terahercios y otras señales electromagnéticas de radiofrecuencia "sin inyectar un solo electrón", dice.

Los científicos señalan que este concepto generalmente se puede aplicar a cualquier plataforma de semiconductores, incluidos los sistemas CMOS convencionales, el diamante y los materiales 2D recientes. "Esta nueva tecnología puede cambiar el futuro de las comunicaciones de ultra alta velocidad, ya que es compatible con los procesos existentes en la fabricación de semiconductores", dice Samizadeh Nikoo.

Estos nuevos dispositivos pueden ayudar a superar un importante desafío al que se enfrenta ahora la electrónica con la velocidad. Las comunicaciones inalámbricas actuales pueden usar señales que son tan rápidas como decenas de gigahercios; Las futuras comunicaciones 6G necesitan señales de hasta 1 terahercio. "Sin embargo, los dispositivos electrónicos tradicionales como los transistores no pueden operar a velocidades tan altas, lo que a menudo se denomina brecha de terahercios", dice Samizadeh Nikoo. "Este es un cuello de botella importante en el desarrollo de tecnologías futuras".

En los experimentos, los investigadores crearon interruptores de terahercios en una plataforma de nitruro de indio y aluminio y nitruro de galio. "Demostramos la transmisión de datos de hasta 100 gigabits por segundo a frecuencias de terahercios, que es 10 veces más alta que la que tenemos hoy con 5G", dice Samizadeh Nikoo. "Nuestros resultados muestran que los metadispositivos electrónicos tienen el potencial de operar aún más rápido, permitiendo enlaces inalámbricos con velocidades de datos de terabit por segundo, lo que puede tener un gran impacto en la forma en que comunicamos los datos y la forma en que los procesamos".

Los interruptores de terahercios convencionales se rompen cuando se presionan más de unos pocos voltios, "lo que significa que son muy sensibles a las descargas electrostáticas y se rompen fácilmente", dice Samizadeh Nikoo. "Los metadispositivos electrónicos son muy robustos y muestran voltajes de ruptura en un rango de algunas decenas de voltios".

El nuevo estudio encontró que los metadispositivos electrónicos también podrían superar a los dispositivos semiconductores clásicos en varios otros aspectos. Por ejemplo, muestran una resistencia de contacto mucho menor que las uniones de túnel, lo que sugiere que los metadispositivos electrónicos pueden encontrar uso no solo como interruptores de terahercios sino también como amplificadores de terahercios, dicen los investigadores.

"Podemos pensar en una nueva generación de electrónica de semiconductores con aplicaciones en sistemas de ultra alta velocidad, como 6G y más allá", dice Samizadeh Nikoo.

Los científicos detallaron sus hallazgos en línea el 15 de febrero en la revista Nature.