A faixa de frequência terahertz - que fica no meio do espectro eletromagnético entre microondas e luz infravermelha - oferece o potencial para comunicações de alta largura de banda, imagem de resolução ultra-alta, detecção precisa de longo alcance para radioastronomia, e muito mais.

Mas esta seção do espectro eletromagnético permaneceu fora do alcance da maioria das aplicações. Isso ocorre porque as fontes atuais de frequências terahertz são volumosas, ineficiente, têm afinação limitada, ou deve operar em baixa temperatura.

Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS), em colaboração com o Instituto de Tecnologia de Massachusetts e o Exército dos EUA, desenvolveram um compacto, temperatura do quarto, laser terahertz amplamente ajustável.

A pesquisa é publicada em Ciência .

"Este laser supera qualquer fonte de laser existente nesta região espectral e a abre, pela primeira vez, para uma ampla gama de aplicações em ciência e tecnologia, "disse Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor de Física Aplicada e Vinton Hayes Pesquisador Sênior em Engenharia Elétrica na SEAS e co-autor sênior do artigo.

"Existem muitas necessidades de uma fonte como este laser, coisas como curto alcance, comunicações sem fio de alta largura de banda, radar de resolução muito alta, e espectroscopia, "disse Henry Everitt, tecnólogo sênior do Centro de Aviação e Mísseis CCDC do Exército dos EUA e co-autor sênior do artigo.

Everitt também é professor adjunto de física na Duke University.

Embora a maioria das fontes de terahertz eletrônicas ou ópticas usem grandes, ineficiente, e sistemas complexos para produzir as frequências evasivas com faixa de sintonia limitada, Capasso, Everitt, e sua equipe adotou uma abordagem diferente.

Para entender o que eles fizeram, vamos examinar um pouco da física básica de como funciona um laser.

Na física quântica, átomos ou moléculas excitadas situam-se em diferentes níveis de energia - pense neles como os andares de um edifício. Em um laser de gás típico, um grande número de moléculas são aprisionadas entre dois espelhos e trazidas a um nível de energia excitado, também conhecido como um andar superior do edifício. Quando eles alcançam aquele andar, eles decaem, cair um nível de energia, e emitir um fóton. Esses fótons estimulam a decadência de mais moléculas à medida que elas saltam para frente e para trás, levando à amplificação da luz. Para alterar a frequência dos fótons emitidos, você precisa mudar o nível de energia das moléculas excitadas.

Então, como você muda o nível de energia? Uma maneira é usar luz. Em um processo chamado bombeamento óptico, a luz eleva as moléculas de um nível de energia inferior para um superior - como um elevador quântico. Lasers moleculares terahertz anteriores usavam bombas ópticas, mas eles eram limitados em sua sintonização a apenas algumas frequências, o que significa que o elevador só foi para um pequeno número de andares.

O avanço desta pesquisa é que Capasso, Everitt, e sua equipe usou um sistema altamente ajustável, laser em cascata quântica (QCL) como sua bomba óptica. Esses poderosos, lasers portáteis, co-inventado por Capasso e seu grupo na Bell Labs na década de 1990, são capazes de produzir luz amplamente ajustável. Em outras palavras, este elevador quântico pode parar em todos os andares do edifício.

A teoria para otimizar o funcionamento do novo laser foi desenvolvida por Steven Johnson, professor de matemática aplicada e física no MIT, e seu aluno de graduação Fan Wang.

Os pesquisadores combinaram a bomba de laser em cascata quântica com um laser de óxido nitroso - também conhecido como gás hilariante.

"Ao otimizar a cavidade e as lentes do laser, fomos capazes de produzir frequências que abrangem quase 1 terahertz, "disse Arman Amirzhan, aluna de pós-graduação do grupo de Capasso e co-autora do artigo.

"Lasers THz moleculares bombeados por um laser de cascata quântica oferecem alta potência e ampla faixa de sintonia em um design surpreendentemente compacto e robusto, "disse o Prêmio Nobel Theodor Hänsch, do Instituto Max-Planck de Óptica Quântica de Munique, que não esteve envolvido nesta pesquisa. "Essas fontes irão desbloquear novas aplicações de detecção a espectroscopia fundamental."

"O que é empolgante é que o conceito é universal, "disse Paul Chevalier, um pós-doutorado na SEAS e primeiro autor do artigo. "Usando esta estrutura, você poderia fazer uma fonte terahertz com um laser de gás de quase qualquer molécula e as aplicações são enormes. "

"Este resultado é único, "disse Capasso." As pessoas sabiam como fazer um laser terahertz antes, mas não podiam torná-lo em banda larga. Não foi até que começamos esta colaboração, depois de um encontro fortuito com Henry em uma conferência, que fomos capazes de fazer a conexão para que você pudesse usar uma bomba amplamente ajustável, como o laser em cascata quântica. "

Este laser pode ser usado em tudo, desde imagens aprimoradas de câncer de pele e de mama até detecção de drogas, segurança do aeroporto, e links ópticos sem fio de ultra-alta capacidade.

"Estou particularmente animado com a possibilidade de usar este laser para ajudar a mapear o meio interestelar, "disse Everitt." As moléculas têm impressões digitais espectrais únicas na região de terahertz, e os astrônomos já começaram a usar essas impressões digitais para medir a composição e a temperatura dessas nuvens primordiais de gás e poeira. Uma melhor fonte de radiação terahertz baseada no solo, como o nosso laser, tornará essas medições ainda mais sensíveis e precisas. "

Esta história foi publicada como cortesia da Harvard Gazette, Jornal oficial da Universidade de Harvard. Para notícias adicionais da universidade, visite Harvard.edu.