Le onde terahertz (THz) cadono tra le microonde e le radiazioni infrarosse nello spettro elettromagnetico, oscillando a frequenze comprese tra 100 miliardi e 30 trilioni di cicli al secondo. Queste onde sono apprezzate per le loro proprietà distintive:possono penetrare nella carta, capi di abbigliamento, legno e pareti, oltre a rilevare l'inquinamento atmosferico. Le sorgenti THz potrebbero rivoluzionare i sistemi di sicurezza e di imaging medico. Cosa c'è di più, la loro capacità di trasportare grandi quantità di dati potrebbe essere la chiave per comunicazioni wireless più veloci.

Le onde THz sono un tipo di radiazione non ionizzante, il che significa che non rappresentano alcun rischio per la salute umana. La tecnologia è già utilizzata in alcuni aeroporti per scansionare i passeggeri e rilevare oggetti e sostanze pericolose.

Nonostante mantenesse grandi promesse, Le onde THz non sono molto utilizzate perché sono costose e macchinose da generare. Ma la nuova tecnologia sviluppata dai ricercatori dell'EPFL potrebbe cambiare tutto questo. Il team del Power and Wide-band-gap Electronics Research Laboratory (POWERlab), guidato dalla Prof.ssa Elison Matioli, costruito un nanodispositivo in grado di generare segnali ad altissima potenza in pochi picosecondi, o un trilionesimo di secondo, che produce onde THz ad alta potenza.

La tecnologia, che può essere montato su un chip o un supporto flessibile, potrebbe un giorno essere installato su smartphone e altri dispositivi portatili. L'opera scritta per la prima volta da Mohammad Samizadeh Nikoo, un dottorato di ricerca studente presso POWERlab, è stato pubblicato sulla rivista Natura .

Come funziona

Il compatto, poco costoso, il nanodispositivo completamente elettrico genera onde ad alta intensità da una sorgente minuscola in un batter d'occhio. Funziona producendo una potente "scintilla, " con il picco di tensione da 10 V (o inferiore) a 100 V nell'intervallo di un picosecondo. Il dispositivo è in grado di generare questa scintilla quasi continuamente, il che significa che può emettere fino a 50 milioni di segnali al secondo. Quando è collegato alle antenne, il sistema può produrre e irradiare onde THz ad alta potenza.

Il dispositivo è costituito da due piastre metalliche situate molto vicine tra loro, fino a 20 nanometri di distanza. Quando viene applicata una tensione, gli elettroni salgono verso una delle piastre, dove formano un nanoplasma. Una volta che la tensione raggiunge una certa soglia, gli elettroni vengono emessi quasi istantaneamente alla seconda piastra. Questo movimento rapido abilitato da interruttori così veloci crea un impulso ad alta intensità che produce onde ad alta frequenza.

I dispositivi elettronici convenzionali sono in grado di commutare solo a velocità fino a un volt per picosecondo, troppo lenti per produrre onde THz ad alta potenza.

Il nuovo nanodispositivo, che può essere più di dieci volte più veloce, può generare impulsi sia ad alta energia che ad alta frequenza. "Normalmente, è impossibile ottenere valori elevati per entrambe le variabili, " afferma Matioli. "I dispositivi a semiconduttore ad alta frequenza sono di dimensioni nanometriche. Possono far fronte solo a pochi volt prima di scoppiare. Dispositivi ad alta potenza, nel frattempo, sono troppo grandi e lenti per generare onde terahertz. La nostra soluzione è stata quella di rivisitare il vecchio campo del plasma con tecniche di fabbricazione su nanoscala all'avanguardia per proporre un nuovo dispositivo per aggirare questi vincoli".

Secondo Matioli, il nuovo dispositivo spinge all'estremo tutte le variabili:"Alta frequenza, alta potenza e nanoscala non sono termini che normalmente ascolteresti nella stessa frase."

"Questi nanodispositivi, da un lato, portare un altissimo livello di semplicità e basso costo, e dall'altra parte, mostra una prestazione eccellente. Inoltre, possono essere integrati con altri dispositivi elettronici come i transistor. Considerando queste proprietà uniche, il nanoplasma può plasmare un futuro diverso per l'area dell'elettronica ultraveloce, "dice Samizadeh.

La tecnologia potrebbe avere applicazioni ad ampio raggio oltre alla generazione di onde THz. "Siamo abbastanza sicuri che arriveranno applicazioni più innovative, "aggiunge Matioli.