Fotodetección a temperatura ambiente

Académicos y estudiantes del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), unidad Querétaro, desarrollan un sistema de imagen para la evaluación no destructiva de diferentes tipos de muestras, haciendo uso de frecuencias terahertz (THz), capaz de operar a temperatura ambiente.

Este sistema de proyección de imágenes basado en la detección de ondas electromagnéticas con frecuencias entre uno y seis THz aprovecha las propiedades de los materiales y su comportamiento para crear una imagen del objeto escaneado en función de sus propiedades ópticas como reflectividad, transmitancia y absorción, explica la investigadora Elodie Strupiechonski, adscrita al programa de Cátedras del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) en el Cinvestav Querétaro.

“Yo hice mi doctorado en Francia sobre láseres de cascada cuántica en el rango de frecuencias THz. Empecé a colaborar con el investigador que actualmente está en los Estados Unidos, el doctor Mikhail Belkin. Publicamos un artículo sobre ese tipo de láseres. Después me invitaron a hacer el posdoctorado en la Universidad de Harvard, con el doctor Federico Capasso, quien es el precursor de los láseres de cascada cuántica, en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. Actualmente el doctor Mikhail Belkin se encuentra en la Universidad de Texas en Austin”, recordó.

Elodie Strupiechonski detalló que a partir de ello fue invitada a impartir la Cátedra Conacyt con el objetivo de abrir una línea de investigación en el Cinvestav, unidad Querétaro, para desarrollar soluciones en el área de optoelectrónica THz.

“Uno de los productos donde hay mucho trabajo para desarrollar algo comercializable es la fotodetección. Así nació la idea, junto con el estudiante de la maestría en ciencias con especialidad en materiales José Gustavo Méndez Lara, de desarrollar fotodetectores que funcionaran a temperatura ambiente en frecuencias arriba de un THz, lo que representa un reto porque debajo de ese rango solo hay soluciones electrónicas y arriba de 30 THz hay otras completamente fotónicas”, sostuvo.

Un sistema compacto, portátil y amigable

La investigadora destacó que el sistema propuesto, que se trabajará de manera conjunta con Mikhail Belkin, de la Universidad de Texas en Austin, ofrece ventajas significativas en términos de tamaño, confiabilidad, costo de producción y simplicidad de operación.

“Actualmente existen detectores en ese rango pero funcionan a temperaturas criogénicas, porque su operación es muy cara. La idea es hacer un sistema que sea compacto, portátil y de fácil operación. El doctor Mikhail Belkin es especialista de primer nivel en desarrollar las fuentes y nosotros vamos a trabajar en el fotodetector. Ambos grupos vamos a construir el sistema completo. La idea es hacer un prototipo aquí en el laboratorio de Cinvestav y otro en la Universidad de Texas en Austin, para que sean complementarios”, puntualizó.

El objetivo de este sistema, detalló Elodie Strupiechonski, es poder ofrecer servicios a empresas, desde el control de calidad de materiales compuestos y dieléctricos secos hasta la supervisión de la dinámica del contenido de agua en sujetos vivos y la detección de drogas ilícitas en el correo, entre otros.

“Pensamos en empresas que necesitan imágenes de muestra en áreas, como el control de calidad de circuitos ya empaquetados, de manera no destructiva para que el dispositivo pueda seguir funcionando después del análisis. Esa es la ventaja de trabajar en este rango de frecuencias THz. La imagen es similar a las que se obtienen por rayos X, pero con la diferencia de que no daña lo que se está analizando. No buscamos hacer espectroscopía, sino más bien el análisis de composición de muestras, dónde hay metal, plásticos o agua sin la necesidad de abrirlas”, advirtió.

La investigadora de Cátedras Conacyt detalló que el paquete tecnológico de este sistema consiste en una fuente de THz, el detector, la electrónica para su operación, además de un sistema de espejos parabólicos para dirigir el haz THz.

“La muestra se pondría en configuraciones de transmisión y reflexión porque en ocasiones las muestras son muy gruesas y no habría suficiente intensidad. Con esto podríamos controlar la frecuencia de emisión de fuente. El sistema puede detectar mucha información contenida en la reflexión o la transmisión, por ejemplo, si se cambia el estado de polarización o frecuencias incidentes en la composición química de la muestra, que estará montada sobre un ensamble mecánico que se puede mover en ambas direcciones para el escaneo de imágenes punto por punto, como una fotografía”, explicó.

Apoyo Conacyt

Por su parte, el estudiante de la maestría en ciencias con especialidad en materiales José Gustavo Méndez Lara detalló que como parte del diseño de este sistema se tiene contemplada la construcción de un cuarto limpio, que es un laboratorio donde se realiza la microfabricación de dispositivos.

“Con el apoyo de una beca Conacyt tuve la oportunidad de acceder a una estancia de tres meses en el Centro de Investigación sobre Hetero-Epitaxia y sus Aplicaciones de Francia, a cargo del doctor Patrice Genevet. Regresé con los conocimientos sobre la primera fase para producir muestras pasivas por oposición al fotodetector que permiten entender la física de las metasuperficies, hacerlas activas y que nos den una conversión de fotones a electrones”, recordó.

Méndez Lara advirtió que este tipo de cuartos limpios no existen en México y requieren protocolos de seguridad para no contaminar las muestras.

“Con esos conocimientos se planteó compartir el uso y las condiciones de este tipo de laboratorios. Es emocionante en el sentido de que se puede colaborar con otras instituciones nacionales e internacionales respecto a la ciencia que sobre el tema se está realizando”, explicó.

La investigadora de Cátedras Conacyt en el Cinvestav Querétaro y líder del laboratorio de Optoelectrónica Terahertz, Elodie Strupiechonski, anunció que el proyecto está dividido en dos etapas con una duración de 24 meses.

“Nosotros, además del diseño del prototipo, queremos publicar y patentar para proteger la innovación y el conocimiento científico que hay detrás. Este proyecto se desarrollará durante un periodo de 24 meses. Se dividirá en dos fases donde ambos equipos trabajarán en paralelo para desarrollar la fuente de terahertz y el detector. La segunda, con duración de seis meses, será para complementar el sistema de imágenes», aseguró.

Elodie Strupiechonski destacó que se construirán dos versiones del sistema de imagenología porque en la fase final del proyecto un asistente de posgrado de la Universidad de Texas en Austin y un estudiante de doctorado del Cinvestav recibirán capacitación avanzada en el diseño, simulación, microfabricación y caracterización optoelectrónica de terahertz.

Otro de los objetivos del laboratorio de Optoelectrónica del Cinvestav, unidad Querétaro, es integrarse al recién consolidado Laboratorio Nacional de Ciencia y Tecnología de Terahertz (Lancytt), integrado por la Universidad de San Luis Potosí (UASLP), el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO), de León, Guanajuato, y cuya misión es la formación de recursos humanos especializados, la investigación científica y el desarrollo de aplicaciones específicas de la radiación electromagnética a frecuencias de terahertz, brindando un nodo de innovación, colaboración y apoyo a las instituciones y empresas nacionales e internacionales.

Fuente: CONACYT.