Imagine una antena que pueda transmitir a frecuencias de terahercios, generalmente definidas como aquellas entre 300 gigahertz (GHz) y 3 terahercios (THz). Tal antena podría enviar y recibir datos a velocidades que serían de órdenes de magnitud más rápidas que cualquier dispositivo que actualmente usemos, esta es la Antena Plasmónica Incluso las redes 5G que se están desplegando operarán, en el mejor de los casos, en frecuencias muy por debajo de 100 GHz.
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Un equipo de la Universidad Técnica de Munich, dirigido por Alexander Holleitner y Reinhard Kienberger, ha desarrollado una antena que trabaja en el orden de los terahercios, sin embargo, no será utilizada para enviar señales a través del aire. La antena plasmónica, desarrollada por el equipo TUM, está diseñada para usar electrones con el fin de transferir datos a través de un espacio minúsculo en la superficie de un chip. Esta técnica permitiría la generación y transmisión de señales en chips, de una manera más rápida de la que se realiza hoy en día.
La antena utiliza una propiedad cuántica de los electrones para transmitir señales de muy alta frecuencia a través de espacios estrechos, lo cual podría generar señales para la comunicación en chip a velocidades que excederían con creces cualquier tecnología actualmente disponible para mover bits de información a través de un chip.
El proceso comienza con un láser con coherencia de fase, como el grupo describe en un informe reciente de Nature Communications: «Lo que es crucial es que es estable en fases», dice Holleitner, es decir, cada pulso tiene la misma forma exacta. Esos pulsos de láser se usan para excitar electrones deslocalizados, aquellos que son de «flotación libre» en lugar de aquellos unidos a cualquier átomo en particular. Estos electrones de flotación libre, como su nombre indica, son libres de moverse entre los átomos del material en el que se encuentran, en este caso, una pequeña antena en el chip.
Cuando un fotón del pulso láser golpea uno de estos electrones deslocalizados, el electrón produce una onda de plasmón. Estas ondas, asociadas con la frecuencia de vibración de un electrón en lugar de la longitud de onda de un fotón que viaja, tienen una longitud de onda mucho más corta que las ondas electromagnéticas. Las longitudes de onda más cortas significan componentes más pequeños, el resultado es que las antenas plasmónicas pueden transferir una gran cantidad de datos en un espacio muy pequeño.
La segunda clave para este diseño es usar una antena asimétrica, lo que significa que el emisor y el receptor, a solo nanómetros de distancia, tienen diferentes formas, con el lado del emisor presentando más curva que el lado del receptor. Es importante tener en cuenta que el equipo de Munich no es el primero en desarrollar una antena plasmónica. Pero los intentos anteriores usaron antenas simétricas, lo cual, según Holleitner, dificulta captar la señal porque, en última instancia, no generan una corriente favorable para que los electrones crucen fácilmente la brecha. Pero Holleitner y los demás descubrieron que al usar antenas asimétricas (o, como se refieren con mayor precisión a ellas, «nanojunctions»), podrían recibir una señal más fuerte.
Es importante destacar cuán pequeña es toda esta configuración. La distancia entre las dos nanouniones que atraviesa una señal es de 10 micrómetros, aproximadamente el grosor de una sola fibra de algodón. Los datos serán transportados por el electrón vibrante que se dispara a través de ese espacio minúsculo. «Es solo física, necesitas tener brechas muy pequeñas», dice Holleitner. De lo contrario, el electrón no lo haría.
El láser excitador de electrones envía pulsos de 20 femtosegundos, lo que significa que en un segundo, 50 billones de electrones harían el viaje microscópico entre nano uniones. Si cada uno llevase un bit de datos, eso se traduce en una transmisión limpia de 10 terahercios.
Holleitner dice que la creación del equipo podría construirse sobre un chip de silicio, e imagina que algún día podría usarse para la generación de señal extremadamente rápida para comunicaciones.
Por ahora, Holleitner se centra en encontrar una forma de controlar la fase del láser. «Intentamos controlar la fase, pues el láser no es lo suficientemente fuerte», dice, y explica que el control de la fase les permitiría crear antenas plasmónicas de frecuencia aún mayor. Y esas frecuencias más altas significarían procesadores aún más rápidos.
Referencias:
- https://spectrum.ieee.org/tech-talk/semiconductors/optoelectronics/plasmonic-antenna-development-could-shine-a-light-on-terahertz-frequency-processing
- http://www.sci-news.com/physics/optical-nanoantenna-graphics-gaming-consoles-pcs-05059.html
