💡 Resumen (TL;DR):
- Ingenieros de la Universidad de Duke desarrollaron el fotodetector piroeléctrico más veloz jamás registrado.
- El hardware convierte la luz en una señal eléctrica en solo 125 picosegundos, alcanzando velocidades de 2.8 GHz.
- El avance permitirá fabricar cámaras multiespectrales para seguridad alimentaria y detección de cáncer de piel.
Ingenieros de la Universidad de Duke desarrollaron el fotodetector piroeléctrico más rápido de la historia, capaz de convertir la luz en una señal eléctrica en apenas 125 picosegundos. Este desarrollo multiplica por mil la velocidad de los detectores térmicos comerciales y sienta las bases para una nueva generación de cámaras multiespectrales.
Un fotodetector piroeléctrico es un sensor que mide el calor producido cuando un material absorbe luz. A diferencia de los semiconductores convencionales que solo detectan luz visible, este hardware captura longitudes de onda en todo el espectro electromagnético.
El problema histórico de esta tecnología era su lentitud. Los detectores comerciales operan en el rango de los nano a microsegundos y exigen materiales absorbentes gruesos o iluminación de alta intensidad para funcionar.
El equipo liderado por la profesora Maiken Mikkelsen resolvió esta limitación física construyendo una meta-superficie de nanocubos de plata. Estas estructuras se colocaron sobre una capa transparente de 10 nanómetros de grosor, justo por encima de una lámina de oro.
Cuando la luz impacta un nanocubo, excita los electrones de la plata y atrapa la energía luminosa mediante plasmónica. La alta eficiencia de este proceso permite usar una capa piroeléctrica extremadamente delgada para generar la señal.
“Nuestro enfoque integra hábilmente absorbentes casi perfectos y materiales piroeléctricos súper delgados para lograr un tiempo de respuesta de 125 picosegundos, lo cual es una mejora enorme para el campo”, detalló Mikkelsen en el artículo de la revista Advanced Functional Materials.
Geometría circular para acortar distancias
Eunso Shin, estudiante de doctorado en el laboratorio de Mikkelsen, perfeccionó el prototipo. Cambió la forma de la meta-superficie de rectangular a circular para incrementar el área expuesta a la luz y acortar la distancia que las señales eléctricas deben recorrer.
Las mediciones confirmaron que el detector integrado con circuitos de lectura mejorados opera a frecuencias de hasta 2.8 GHz.
“Los fotodetectores piroeléctricos comúnmente operan en el rango de nano a microsegundos, por lo que esto es cientos o miles de veces más rápido”, indicó Shin.
La base técnica de este proyecto se documentó inicialmente en 2019 dentro de Nature Materials. Hoy, con respaldo de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Fundación Gordon y Betty Moore, los investigadores buscan ensamblar la electrónica directamente en el espacio microscópico entre los nanocubos y el oro.
El equipo ya diseña configuraciones con múltiples meta-superficies para rastrear diferentes longitudes de onda y su polarización al mismo tiempo. El objetivo técnico es fabricar cámaras que operen a temperatura ambiente sin consumir energía externa.
