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Terahercios, la próxima frontera

El espectro cubre todo, desde las ondas de radio y las microondas hasta la luz que llega a nuestros ojos, pasando por los rayos X y los rayos gamma. Y los humanos han dominado el arte de enviar y recibir casi todos ellos.

Sin embargo, hay una excepción. Entre los haces de luz visible y los destellos de radioestática, hay una zona muerta donde nuestra tecnología no es eficaz. Se llama brecha de terahercios. Durante décadas, nadie ha logrado construir un dispositivo de consumo que pueda transmitir ondas de terahercios.

“Hay una lista de posibles aplicaciones”, dice Qing Hu, ingeniero eléctrico del MIT.

Pero algunos investigadores están progresando lentamente. Si pegan el aterrizaje, podrían abrir un conjunto completamente nuevo de tecnologías, como el sucesor de Wi-Fi o un sistema de detección más inteligente para el cáncer de piel.

Mira la brecha de terahercios como una frontera. En el lado izquierdo, hay microondas y ondas de radio más largas. En el lado derecho se encuentra el espectro infrarrojo. (Algunos científicos incluso llaman a la brecha de terahercios “infrarrojo lejano”). Nuestros ojos no pueden ver el infrarrojo, pero en lo que respecta a nuestras tecnologías, es como la luz.

Las ondas de radio son cruciales para la comunicación, especialmente entre dispositivos electrónicos, lo que las hace universales en la electrónica actual. La luz alimenta las fibras ópticas que sustentan Internet. Estos reinos de la tecnología suelen alimentarse de diferentes longitudes de onda y coexisten incómodamente en el mundo moderno.

Pero ambos reinos luchan por llegar muy lejos en la zona neutral de terahercios. Los componentes electrónicos estándar, como los chips de silicio, no pueden funcionar lo suficientemente rápido como para hacer ondas de terahercios. Las tecnologías productoras de luz como los láseres, que se sienten como en casa en infrarrojos, tampoco funcionan con ondas de terahercios. Peor aún, las ondas de terahercios no duran mucho en la atmósfera terrestre: el vapor de agua en el aire tiende a absorberlas después de un breve recorrido.

Hay algunas longitudes de onda de terahercios que pueden exprimirse a través del vapor de agua. Los astrónomos han construido telescopios que capturan esas bandas, que son especialmente buenas para ver polvo interestelar. Para un mejor uso, esos telescopios deben estacionarse en los lugares más altos y secos del planeta, como el desierto de Atacama en Chile, o fuera de la atmósfera por completo en el espacio.

El resto de la brecha de terahercios está envuelta en niebla. Investigadores como Hu están intentando solucionar esto, pero no es fácil.

Ingeniería de ondas de terahercios

Ingenieros de Harvard, el MIT y el Ejército de los Estados Unidos crearon esta configuración láser experimental de terahercios en 2019. Están entre los pocos que lo hacen. Arman Amirzhan, Harvard SEAS

Cuando se trata de aprovechar las ondas de terahercios, el mundo de la electrónica se enfrenta a un problema fundamental. Para entrar en la brecha, los chips de silicio en nuestra electrónica deben pulsar rápidamente, a billones de ciclos por segundo (de ahí un terahercio). Los chips de teléfono u ordenador pueden funcionar perfectamente bien a millones o miles de millones de ciclos por segundo, pero luchan por alcanzar los billones. Los componentes de terahercios altamente experimentales que funcionan pueden costar tanto como un coche de lujo. Los ingenieros están trabajando para bajar los precios.

El otro reino, el mundo de la luz, ha buscado durante mucho tiempo fabricar dispositivos como láseres asequibles que pudieran crear ondas de terahercios a frecuencias específicas. Los investigadores estaban hablando de cómo hacer un láser de este tipo ya en la década de 1980. Algunos pensaron que era imposible.

Luego, en 1994, los científicos inventaron el láser cuántico en cascada, que era particularmente bueno para fabricar luz infrarroja. Todo lo que Hu y sus colegas tenían que hacer era empujar el láser hacia las ondas más largas del infrarrojo lejano.

Alrededor de 2002, lograron fabricar un láser de cascada cuántica de terahercios. Pero hubo un inconveniente: el sistema necesitaba temperaturas de alrededor de -343° Fahrenheit (-208°C) para disparar realmente. También requería nitrógeno líquido para funcionar, lo que dificultaba su uso fuera del laboratorio o en entornos criogénicos.

En las dos décadas posteriores, ese umbral de temperatura se ha deslizado. Los últimos láseres del laboratorio de Hu funcionan en un bálsamo de 8° Fahrenheit (-13°C). Eso no es exactamente a temperatura ambiente, pero es lo suficientemente cálido como para que el láser pueda enfriarse dentro de un refrigerador portátil y sacarse del laboratorio. Mientras tanto, en 2019, un equipo de Harvard, el MIT y el Ejército de los Estados Unidos creó un láser de terahercios del tamaño de una caja de zapatos que puede alterar el gas molecular.

En el tiempo que tardó Hu en afinar su láser, la electrónica también ha progresado. Los avances en la forma en que se construyen los chips y los materiales que entran en ellos los han empujado a funcionar cada vez más rápido. (Un chip de nanoplasma fabricado por un grupo en Suiza en 2020 fue capaz de transmitir 600 milivatios de ondas de terhercios, pero de nuevo, solo en el laboratorio). Si bien los ingenieros eléctricos quieren ver más progreso, el diseño de componentes de terahercios no es el sueño lejano que una vez fue.

“Ahora podemos hacer sistemas realmente complicados en el chip”, dice Ruonan Han, ingeniero eléctrico del MIT. “Así que creo que el escenario está cambiando”.

“Lo que ha sucedido en los últimos treinta años es que se han hecho progresos desde ambos extremos”, dice Mark Sherwin, físico de la Instalación Terahertz de la Universidad de California en Santa Bárbara. “Todavía es relativamente raro, pero yo diría que mucho, mucho, mucho más común… y mucho más fácil”.

Tales escalas de tiempo de décadas son comunes en un mundo donde las nuevas tecnologías giran en ciclos de bombo y decepción. Entre los ingenieros, terahercio no es una excepción.

El futuro de la tecnología de terahercios

Por ahora, los dos reinos que intentan entrar en la zona oscura de los terahercios desde cada extremo permanecen en gran medida separados. Aun así, están dando al mundo de la ciencia nuevas habilidades en una amplia gama de disciplinas.

Algunas de esas habilidades podrían acelerar la comunicación. Tu Wi-Fi funciona en microondas, pero los terahercios,, con frecuencias más altas que las microondas, podría forjar una mejor conexión que sea órdenes de magnitud más rápido. A través de un cable, también podría crear un cruce ultrarrápido entre USB y fibra óptica.

Las ondas de terahercio también son ideales para detectar sustancias. “Casi todas las moléculas tienen un espectro de “huella digital” en el rango de frecuencias de terahercios”, dice Sherwin. Eso hace que las ondas de terahercio sean óptimas para detectar productos químicos como los explosivos y las moléculas de los medicamentos. Los astrónomos ya utilizan esa capacidad para observar las composiciones químicas del polvo cósmico y los objetos celestes. Más cerca de la Tierra, Han imagina una “nariz electrónica” de terahercios que incluso podría discernir olores en el aire.

Esas firmas de terahercios también hacen que el infrarrojo lejano sea ideal para escanear personas y objetos. Las ondas de terahercio pueden ver a través de cosas que la luz no puede ver, como la ropa, con la ventaja de evitar la radiación ionizante potencialmente dañina como los rayos X. Los evaluadores de seguridad ya han mostrado interés en la tecnología.

La única característica de escaneo de la que carecen las ondas de terahercio es que no pueden pasar a través del agua, tanto en el aire como en el cuerpo humano. Pero eso no es un obstáculo para la medicina. Un médico podría usar un dispositivo de terahercios para detectar signos sutiles de cáncer de piel que las radiografías podrían pasar por alto; o un neurocientífico podría usarlo para escanear el cerebro de un ratón.

Hu cree que la investigación sigue en sus primeras fases. “Si podemos desarrollar herramientas que puedan ver algo y no tarden una eternidad en escanear alguna área, eso podría atraer a los posibles profesionales a jugar con ella”, dice. “Esa es una pregunta abierta”.

Gran parte de la brecha de terahercios sigue siendo un punto en blanco en los mapas de los investigadores, lo que significa que el equipo que utiliza las codiciadas ondas infrarrojas lejanas aún no es común.

“Los investigadores no tienen muchas oportunidades de explorar en qué [las ondas de terahercios] pueden ser buenas”, dice Han. Así que, por ahora, el mundo más rápido y sensible dentro de la brecha permanece en gran medida en su imaginación.

Artículo traducido de Popular Science

Alf

Propietario de www.faq-mac.com.

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