Ingenieros de la Universidad de Duke en Estados Unidos han creado el fotodetector piroeléctrico más rápido jamás registrado. Este dispositivo "detecta" señales de luz capturando el calor convertido en luz después de ser absorbido. Este nuevo sensor ultradelgado puede funcionar a temperatura ambiente, no requiere fuente de alimentación externa y puede integrarse en un sistema de chip para responder a la luz de casi todo el espectro electromagnético. Se espera que promueva el desarrollo de una nueva generación de tecnología de imágenes multiespectrales. Los resultados de la investigación relevante se han publicado en la revista Advanced Functional Materials.
Actualmente, la mayoría de los equipos de cámaras digitales se basan en detectores de luz semiconductores para convertir la luz visible que incide sobre sus superficies en corriente eléctrica, que luego es procesada por circuitos electrónicos para formar imágenes. La banda de trabajo de este tipo de dispositivos es similar a la del ojo humano, se concentra principalmente fuera del rango limitado de luz visible y, a menudo, "hace la vista gorda" ante la radiación electromagnética en otras bandas. Para detectar una banda más amplia, los investigadores suelen utilizar detectores piroeléctricos: cuando el material absorbe luz, su temperatura aumenta, produciendo una señal eléctrica.
Sin embargo, los detectores piroeléctricos tradicionales han sido durante mucho tiempo inferiores a las soluciones semiconductoras en términos de rendimiento de respuesta. Para obtener una señal suficiente, el dispositivo a menudo requiere una gruesa capa de absorción o una luz incidente muy fuerte, lo que hace que el volumen general sea voluminoso y la velocidad de respuesta sea lenta. Maiken Mikkelsen, profesora de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Duke, señala que los detectores piroeléctricos comerciales tienen una capacidad de respuesta limitada y "requieren una luz muy brillante o una capa absorbente muy gruesa, que es naturalmente lenta porque el calor en sí no viaja muy rápidamente".
El avance del equipo de Duke provino de un diseño estructural llamado "metasuperficie". Los investigadores dispusieron con precisión una gran cantidad de nanocubos de plata sobre una película de oro extremadamente delgada, separados por una capa transparente de unos 10 nanómetros de espesor. Cuando la luz incide sobre estos nanocubos, excita los electrones de la plata, atrapando la energía luminosa en la estructura local mediante un efecto plasmón. Las longitudes de onda específicas que se capturan dependen del tamaño y el espaciado de los nanocubos, lo que permite controlar la frecuencia de absorción mediante la ingeniería de las nanoestructuras.
Debido a que esta nanoestructura es tan eficiente a la hora de "capturar" la luz, los investigadores sólo necesitan colocar una capa extremadamente delgada de material piroeléctrico debajo para generar una señal eléctrica lo suficientemente fuerte. El equipo demostró esta idea por primera vez en 2019, aunque su velocidad de respuesta no se midió en ese momento. "En teoría, los fotodetectores térmicos deberían ser muy lentos, por lo que todo el sector se sorprendió cuando descubrimos que presentaban escalas de tiempo cercanas a las de los fotodetectores de silicio", recuerda Mikkelsen.
En los últimos años, Eunso Shin, estudiante de doctorado del equipo de Mikkelsen, ha optimizado aún más la estructura del dispositivo y ha diseñado una solución de prueba de menor costo para medir su velocidad máxima sin depender de costosos instrumentos profesionales. El diseño mejorado utiliza una metasuperficie circular en lugar de una estructura rectangular, lo que, por un lado, aumenta el área de captura efectiva de la luz incidente y, por otro, acorta la ruta de transmisión de la señal dentro del dispositivo. El equipo también está trabajando con colaboradores para introducir capas más delgadas de materiales piroeléctricos y mejorar el diseño de los circuitos utilizados para leer y transmitir señales.
Durante la sesión de prueba, Shin construyó una plataforma experimental que consta de dos láseres de retroalimentación distribuida. A medida que la frecuencia del láser se acerca gradualmente al límite de trabajo del fotodetector, la respuesta de la señal de salida del dispositivo cambiará significativamente, de lo que se puede deducir su verdadera velocidad de trabajo. Los resultados muestran que el nuevo fotodetector puede funcionar a frecuencias de hasta 2,8 GHz, lo que significa que puede convertir la luz incidente en una señal eléctrica mensurable en una escala de tiempo de unos 125 picosegundos.
"Los fotodetectores piroeléctricos normalmente operan en el rango de nanosegundos a microsegundos, y esta vez los resultados son cientos o incluso miles de veces más rápidos", dijo Shin, señalando que el equipo todavía está trabajando para aumentar aún más la velocidad mientras explora el límite superior de velocidad del mecanismo físico de los fotodetectores piroeléctricos.
De cara a las perspectivas de aplicación, los investigadores creen que al "empacar" aún más el material piroeléctrico y el circuito de lectura en el estrecho espacio entre el nanocubo y la película de oro, se espera que continúe comprimiendo el espesor del dispositivo y mejore el rendimiento. Además, también están explorando el uso de estructuras de metasuperficie multicapa para que un solo dispositivo pueda detectar múltiples longitudes de onda y sus estados de polarización simultáneamente. A medida que maduren las iteraciones de diseño y los procesos de fabricación posteriores, se espera que esta tecnología conduzca a una nueva generación de potentes sistemas de imágenes multiespectrales.
Dado que estos detectores no requieren fuente de alimentación externa cuando funcionan, tienen el potencial de implementarse en drones, satélites y diversas naves espaciales para realizar misiones de detección remota altamente maniobrables y de largo plazo. En escenarios de agricultura de precisión, las plataformas no tripuladas equipadas con este sistema de imágenes pueden identificar qué cultivos requieren riego o fertilización en tiempo real, logrando una gestión más precisa de los recursos. Mikkelsen cree que una vez que los dispositivos puedan detectar suficientes frecuencias simultáneamente, "se abrirá la puerta a aplicaciones como el diagnóstico del cáncer de piel, la detección de seguridad alimentaria y los vehículos de detección remota. Estos todavía están en camino, pero esa es la dirección en la que nos dirigimos".