Ingenieros eléctricos de la Universidad de Duke han creado el fotodetector piroeléctrico más rápido demostrado hasta la fecha, un dispositivo que detecta la luz midiendo la pequeña cantidad de calor que produce al ser absorbida.
Este sensor ultrafino puede capturar luz en todo el espectro electromagnético. Opera a temperatura ambiente, no requiere fuente de alimentación externa y puede integrarse directamente en sistemas de chips. La tecnología podría permitir una nueva generación de cámaras multiespectrales con aplicaciones en áreas como la detección de cáncer de piel, el control de seguridad alimentaria y la agricultura a gran escala.
Los hallazgos fueron publicados en la revista Advanced Functional Materials.
Limitaciones de los Fotodetectores Tradicionales
La mayoría de las cámaras digitales dependen de fotodetectores semiconductores que producen una corriente eléctrica cuando son alcanzados por la luz visible. Las computadoras luego convierten esa señal en las imágenes que vemos.
Sin embargo, los semiconductores solo pueden detectar una pequeña porción del espectro electromagnético. En ese sentido, son similares al ojo humano, que también está limitado a longitudes de onda de luz visibles.
Para detectar luz fuera de ese rango, los investigadores a menudo recurren a los detectores piroeléctricos. Estos dispositivos producen una señal eléctrica cuando se calientan después de absorber la luz entrante. Pero generar suficiente calor a partir de longitudes de onda más difíciles de capturar tradicionalmente ha requerido materiales absorbentes gruesos o una iluminación muy brillante, lo que hace que estos detectores sean voluminosos y lentos.
«Los detectores piroeléctricos comerciales no son muy sensibles, por lo que necesitan una luz muy brillante o absorbentes muy gruesos para funcionar, lo que naturalmente los hace lentos porque el calor no se mueve tan rápido», dijo Maiken Mikkelsen, profesora de ingeniería eléctrica y computación en Duke. «Nuestro enfoque integra inteligentemente absorbentes casi perfectos y piroeléctricos súper delgados para lograr un tiempo de respuesta de 125 picosegundos, lo que es una gran mejora para el campo.»
Diseño de Metasuperficie que Atrapa la Luz de Manera Eficiente
El dispositivo desarrollado por el laboratorio de Mikkelsen se basa en una estructura especialmente diseñada conocida como metasuperficie. Consiste en nanocubos de plata dispuestos con precisión, ubicados en una capa transparente a solo 10 nanómetros por encima de una fina lámina de oro.
Cuando la luz incide en un nanocubo, excita los electrones en la plata. Esta interacción atrapa la energía de la luz a través de un proceso llamado plasmónica. La frecuencia exacta de la luz capturada depende del tamaño de los nanocubos y del espaciado entre ellos.
Debido a que esta captura de luz es extremadamente eficiente, solo se necesita una capa muy delgada de material piroeléctrico debajo de la estructura para generar una señal eléctrica. El equipo de Mikkelsen demostró por primera vez el concepto en 2019, aunque la configuración original no estaba diseñada para medir la rapidez con la que el dispositivo podía responder.
«Se supone que los fotodetectores térmicos son lentos, por lo que esto fue desconcertante para toda la comunidad», dijo Mikkelsen. «Nos sorprendió que pareciera estar funcionando en escalas de tiempo similares a las de los fotodetectores de silicio.»
Optimizando el Dispositivo para la Velocidad
En los últimos años, Eunso Shin, estudiante de doctorado en el laboratorio de Mikkelsen, ha trabajado para refinar el diseño y también desarrollar un método para medir la velocidad del dispositivo sin depender de equipos extremadamente costosos.
En la versión más reciente del detector, la metasuperficie que absorbe la luz se rediseñó en una forma circular en lugar de rectangular. Esta configuración aumenta la superficie expuesta a la luz entrante al tiempo que reduce la distancia que deben recorrer las señales eléctricas. Los investigadores también incorporaron capas piroeléctricas aún más delgadas proporcionadas por colaboradores y mejoraron la circuitería electrónica utilizada para capturar y transmitir las señales.
Para medir el rendimiento del detector, Shin ideó una configuración experimental utilizando dos láseres de retroalimentación distribuida. Los láseres se intensificaron cuando sus frecuencias se acercaron a la velocidad de operación del dispositivo, lo que permitió a los investigadores determinar la rapidez con la que el detector podía responder.
Sus mediciones mostraron que el fotodetector térmico puede operar a velocidades de hasta 2.8 GHz. A esa velocidad, la luz entrante produce una señal eléctrica en solo 125 picosegundos.
«Los fotodetectores piroeléctricos normalmente operan en el rango de nano a microsegundos, por lo que esto es cientos o miles de veces más rápido», dijo Shin. «Estos resultados son realmente emocionantes, pero todavía estamos trabajando para hacerlo aún más rápido mientras descubrimos el límite cinético de los fotodetectores piroeléctricos.»
Aplicaciones Futuras, Desde la Agricultura hasta la Medicina
Los investigadores creen que el dispositivo podría volverse aún más rápido colocando el material piroeléctrico y los componentes de lectura electrónica en el estrecho espacio entre los nanocubos y la capa de oro. También están explorando formas de expandir las capacidades del sistema, incluidos diseños que utilizan múltiples metasuperficies para detectar varias longitudes de onda de luz y su polaridad al mismo tiempo.
A medida que continúe el desarrollo y se aborden los desafíos de fabricación, la tecnología podría abrir la puerta a potentes nuevos sistemas de imágenes. Debido a que los detectores no necesitan energía externa, podrían implementarse en drones, satélites y naves espaciales.
Estos sistemas podrían respaldar la agricultura de precisión al revelar en tiempo real qué cultivos requieren agua o fertilizantes adicionales.
«Cuando se trata de la capacidad de detectar muchas frecuencias a la vez, se abren las puertas a muchas cosas diferentes», dijo Mikkelsen. «Diagnóstico del cáncer, seguridad alimentaria, vehículos de teledetección. Todas esas cosas todavía están bastante lejos, pero en esa dirección es hacia donde nos dirigimos.»
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550-21-1-0312) y la Fundación Gordon y Betty Moore (GBMF8804).
