Un fotodetector revolucionario capta luz en solo 125 picosegundos

Un equipo de ingenieros eléctricos de la Universidad Duke presentó el fotodetector piroeléctrico más rápido jamás creado, capaz de captar luz en un tiempo récord de solo 125 picosegundos. Este dispositivo innovador no solo detecta luz, sino que también lo hace a través de todo el espectro electromagnético, lo que abre nuevas posibilidades para el desarrollo de cámaras multispectrales en campos como la medicina, la agricultura y la detección espacial.

El fotodetector ultradelgado funciona a temperatura ambiente, no requiere fuente de energía externa y puede integrarse directamente en sistemas en chip. Esta tecnología podría revolucionar la forma en que se realizan diagnósticos médicos, se controla la seguridad alimentaria y se gestiona la agricultura a gran escala.

Los detalles de este avance fueron publicados en la revista Advanced Functional Materials. La mayoría de las cámaras digitales actuales utilizan fotodetectores semiconductores que solo pueden captar una pequeña parte del espectro electromagnético, similar a la limitación del ojo humano que solo percibe longitudes de onda visibles.

Para detectar luz fuera de ese rango, los investigadores suelen recurrir a fotodetectores piroeléctricos, que generan una señal eléctrica al calentarse tras absorber luz. Sin embargo, estos dispositivos tradicionales requieren materiales gruesos o iluminación muy brillante, lo que los hace voluminosos y lentos. Según Maiken Mikkelsen, profesora de ingeniería eléctrica y computación en Duke, "los fotodetectores piroeléctricos comerciales no son muy sensibles, por lo que necesitan luz brillante o absorbentes gruesos, lo que los hace inherentemente lentos debido a la velocidad del calor".

El nuevo dispositivo se basa en una estructura conocida como metasuperficie, que consiste en nanocubos de plata dispuestos sobre una capa transparente, a solo 10 nanómetros de una delgada lámina de oro. Cuando la luz incide sobre un nanocubo, excita los electrones de la plata, atrapando la energía de la luz mediante un fenómeno llamado plasmonica. La frecuencia exacta de la luz capturada depende del tamaño de los nanocubos y la separación entre ellos.

Gracias a la eficiencia de este método de captura de luz, solo se necesita una capa muy delgada de material piroeléctrico para generar una señal eléctrica. Mikkelsen y su equipo demostraron este concepto por primera vez en 2019, aunque el diseño original no estaba destinado a medir la velocidad de respuesta del dispositivo.

En los últimos años, Eunso Shin, un estudiante de doctorado en el laboratorio de Mikkelsen, trabajó en refinar el diseño y en desarrollar un método para medir la velocidad del dispositivo sin depender de equipos extremadamente costosos. En la versión más reciente del fotodetector, la metasuperficie fue rediseñada en forma circular, aumentando la superficie expuesta a la luz entrante y reduciendo la distancia que deben recorrer las señales eléctricas.

Las mediciones mostraron que el fotodetector térmico puede operar a velocidades de hasta 2.8 GHz, generando una señal eléctrica en solo 125 picosegundos. "Los fotodetectores piroeléctricos suelen operar en el rango de nano a microsegundos, así que esto es cientos o miles de veces más rápido", destacó Shin. El equipo está trabajando para hacer el dispositivo aún más rápido y explorar los límites cinéticos de los fotodetectores piroeléctricos.

Los investigadores creen que el dispositivo podría llegar a ser aún más veloz al colocar el material piroeléctrico y los componentes de lectura electrónica en el estrecho espacio entre los nanocubos y la capa de oro. Además, están explorando formas de expandir las capacidades del sistema, incluyendo diseños que utilicen múltiples metasuperficies para detectar varias longitudes de onda de luz y su polaridad simultáneamente.

A medida que continúe el desarrollo y se aborden los desafíos de fabricación, esta tecnología podría abrir la puerta a nuevos sistemas de imágenes potentes. Dado que los detectores no requieren energía externa, podrían ser desplegados en drones, satélites y naves espaciales, apoyando la agricultura de precisión al revelar en tiempo real qué cultivos requieren más agua o fertilizante.

"Cuando se puede detectar múltiples frecuencias a la vez, se abren muchas posibilidades", concluyó Mikkelsen. "El diagnóstico de cáncer, la seguridad alimentaria y los vehículos de detección remota son solo algunas de las aplicaciones futuras que estamos explorando". Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Fundación Gordon y Betty Moore.

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