Los cristales plasmónicos en semiconductores abren el camino a nuevas tecnologías de terahercios
Krasnogorsk, Óblast de Moscú, Rusia, Europa.- Investigadores del Instituto Osipyan de Física del Estado Sólido de la Academia Rusa de Ciencias, junto con colegas internacionales, han demostrado la posibilidad de controlar las oscilaciones electrónicas colectivas (plasmones) en estructuras semiconductoras que operan en el rango de frecuencia de terahercios.
En su estudio, examinaron en detalle cristales plasmónicos basados en heteroestructuras de AlGaAs/GaAs y demostraron cómo la forma de los electrodos metálicos en la superficie del cristal determina el espectro de excitaciones del plasma en un gas de electrones bidimensional.
Los resultados del estudio, financiado con una subvención de la Fundación Rusa para la Ciencia (RSF), se publicaron en la revista Physical Review Research.
El rango de terahercios es el rango de frecuencia entre la radiofrecuencia y la luz infrarroja. Es aquí donde se espera que surjan nuevos escáneres, sensores, sistemas de comunicación y espectroscopía. Sin embargo, controlar las ondas de terahercios en un chip no es una tarea trivial: las antenas y resonadores convencionales en estas frecuencias son voluminosos e ineficaces. Los cristales plasmónicos ofrecen una alternativa compacta: el gas de electrones bajo una red periódica de puertas metálicas se transforma en un «cristal artificial» para plasmones, en el que las propiedades ondulatorias pueden controlarse mediante nanolitografía», explicó Vyacheslav Muravyov, doctor en Física y Matemáticas e investigador principal de la beca RSF, investigador principal del Laboratorio de Procesos Electrónicos en Desequilibrio del Instituto de Física del Estado Sólido de la Academia Rusa de Ciencias.
En su artículo, los autores estudiaron un cristal plasmónico en una heteroestructura AlGaAs/GaAs con un sistema electrónico bidimensional de alta movilidad. Demostraron que el modo plasmónico fundamental evoluciona continuamente desde un plasmón «sin apantallamiento» (donde la red metálica prácticamente no tiene efecto en el espectro de la onda) a un plasmón completamente apantallado (donde el plasmón se «presiona» contra la red metálica). Al variar la anchura y el período de la red metálica del cristal plasmónico, los científicos rastrearon cómo la frecuencia y El factor de calidad del cambio de resonancias del plasma, y posteriormente se desarrolló una teoría analítica que explica el conjunto completo de armónicos espaciales del campo plasmónico en el cristal. Se descubrió que las excitaciones del plasma en el cristal plasmónico están deslocalizadas: cada modo observado es una superposición de un conjunto de ondas estacionarias con diferentes números de onda.
Como resultado de su investigación, se desarrolló un modelo analítico único que permitió describir con precisión el estado fundamental del plasma en un cristal plasmónico. Resultó que el modelo desarrollado no solo reproduce la dispersión experimental con alta precisión, sino que también explica el ensanchamiento de línea debido a las pérdidas radiativas: la red metálica simultáneamente «bombea» radiación de terahercios al plasmón y luego la irradia de vuelta, actuando como un conjunto de antenas en el régimen de sublongitud de onda.
Los científicos creen que los resultados obtenidos impulsan el desarrollo de nuevos detectores, desfasadores, generadores y otros elementos de la electrónica y fotónica de terahercios que pueden integrarse directamente en microcircuitos semiconductores. Los fenómenos físicos descubiertos constituyen la base científica para el diseño de tecnologías fundamentalmente nuevas. Dispositivos plasmónicos de terahercios.
Investigadores del Instituto Kotelnikov de Ingeniería de Radio y Electrónica de la Academia Rusa de Ciencias participaron en el estudio.
