Velocidades de transmisión de datos diez veces superior al 5G
Un nuevo enfoque de la electrónica con ingeniería de metaestructuras a escala microscópica de onda acerca dispositivos ultra-rápidos con aplicaciones en comunicaciones 6G y más allá.
Hasta ahora, la capacidad de hacer más rápidos los dispositivos electrónicos se reducía a un simple principio: reducir la escala de los transistores y otros componentes. Pero este enfoque está llegando a su límite, ya que las ventajas de la reducción de tamaño se ven contrarrestadas por efectos perjudiciales como la resistencia y la disminución de la potencia de salida.
Elison Matioli, del Laboratorio de Investigación en Electrónica de Potencia y Banda Ancha (POWERlab) de la Escuela de Ingeniería de la EPFL (Escuela Politécnica Federal de Zurich), explica que una mayor miniaturización no es, por tanto, una solución viable para mejorar el rendimiento de la electrónica.
"Aparecen nuevos artículos que describen dispositivos cada vez más pequeños, pero en el caso de los materiales fabricados con nitruro de galio, los mejores dispositivos en términos de frecuencia ya se publicaron hace unos años", afirma en un comunicado. "Después de eso, realmente no hay nada mejor, porque a medida que se reduce el tamaño del dispositivo, nos enfrentamos a limitaciones fundamentales. Esto es así independientemente del material utilizado".
En respuesta a este reto, Matioli y el estudiante de doctorado Mohammad Samizadeh Nikoo idearon un nuevo enfoque de la electrónica que podría superar estas limitaciones y permitir una nueva clase de dispositivos de terahercios. En lugar de encoger el dispositivo, lo reorganizaron, sobre todo grabando contactos con patrones llamados metaestructuras a distancias inferiores a la longitud de onda en un semiconductor de nitruro de galio y nitruro de indio y galio. Estas metaestructuras permiten controlar los campos eléctricos en el interior del dispositivo, con lo que se obtienen propiedades extraordinarias que no se dan en la naturaleza.
Lo más importante es que el dispositivo puede funcionar a frecuencias electromagnéticas en la gama de los terahercios (entre 0,3 y 30 THz), mucho más rápidas que las ondas de gigahercios utilizadas en la electrónica actual. Por tanto, pueden transportar cantidades mucho mayores de información para una señal o un periodo determinados, lo que les confiere un gran potencial para aplicaciones en comunicaciones 6G y más allá.
"Hemos descubierto que la manipulación de los campos de radiofrecuencia a escala microscópica puede aumentar significativamente el rendimiento de los dispositivos electrónicos sin tener que recurrir a reducciones de escala agresivas", explica Samizadeh Nikoo, primer autor de un artículo sobre este avance publicado en la revista Nature.
Récord de altas frecuencias, récord de baja resistencia
Dado que las frecuencias de terahercios son demasiado rápidas para la electrónica actual y demasiado lentas para las aplicaciones ópticas, esta gama suele denominarse "brecha de terahercios".
Utilizar metaestructuras de sub-longitud de onda para modular las ondas de terahercios es una técnica que procede del mundo de la óptica. Pero el método del POWERlab permite un grado de control electrónico sin precedentes, a diferencia del enfoque óptico consistente en proyectar un haz de luz externo sobre un patrón ya existente.
"En nuestro enfoque basado en la electrónica, la capacidad de controlar las radiofrecuencias inducidas procede de la combinación de los contactos con patrones de sub-longitud de onda, más el control del canal electrónico con voltaje aplicado. Esto significa que podemos cambiar el efecto colectivo dentro del metadispositivo induciendo electrones (o no)", afirma Matioli.
Mientras que los dispositivos más avanzados del mercado actual pueden alcanzar frecuencias de hasta 2 THz, los metadispositivos del POWERlab pueden llegar a los 20 THz. Del mismo modo, los dispositivos actuales que funcionan cerca del rango de los terahercios tienden a averiarse con tensiones inferiores a 2 voltios, mientras que los metadispositivos pueden soportar más de 20 voltios. Esto permite la transmisión y modulación de señales de terahercios con mucha más potencia y frecuencia de lo que es posible actualmente.
Como explica Samizadeh Nikoo, modular ondas de terahercios es crucial para el futuro de las telecomunicaciones, ya que las crecientes necesidades de datos de tecnologías como los vehículos autónomos y las comunicaciones móviles 6G están alcanzando rápidamente los límites de los dispositivos actuales. Los metadispositivos electrónicos desarrollados en el POWERlab podrían sentar las bases de la electrónica integrada de terahercios al producir chips compactos de alta frecuencia que ya pueden utilizarse, por ejemplo, en los teléfonos inteligentes.
Transmisión de datos de hasta 100 gigabits por segundo
"Esta nueva tecnología podría cambiar el futuro de las comunicaciones de ultra alta velocidad, ya que es compatible con los procesos existentes en la fabricación de semiconductores. Hemos demostrado la transmisión de datos de hasta 100 gigabits por segundo a frecuencias de terahercios, lo que ya es 10 veces superior a lo que tenemos hoy con 5G", afirma Samizadeh Nikoo.
Para aprovechar plenamente el potencial de este enfoque, Matioli afirma que el siguiente paso es desarrollar otros componentes electrónicos listos para su integración en circuitos de terahercios.
"La electrónica de terahercios integrada es la próxima frontera para un futuro conectado. Pero nuestros metadispositivos electrónicos son sólo un componente. Tenemos que desarrollar otros componentes integrados de terahercios para aprovechar plenamente el potencial de esta tecnología. Esa es nuestra visión y nuestro objetivo".
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