p Invisível ao olho humano, ondas eletromagnéticas terahertz podem "ver através" de tudo, desde neblina e nuvens a madeira e alvenaria - um atributo que é uma grande promessa para a pesquisa em astrofísica, detecção de explosivos ocultos e muitas outras aplicações. p Os lasers Terahertz podem produzir fótons com frequências de trilhões de ciclos por segundo - energias entre as do infravermelho e os fótons de micro-ondas. Esses fótons, Contudo, são notoriamente difíceis de gerar - e é aí que entra o professor associado de engenharia elétrica da UCLA Benjamin Williams. Ele e seu grupo de pesquisa na Escola Henry Samueli de Engenharia e Ciências Aplicadas da UCLA estão trabalhando arduamente para explorar "uma das últimas fronteiras do eletromagnético espectro, "como Williams descreve.

p A maioria dos lasers ópticos e infravermelhos operam pela transição de elétrons entre dois níveis de energia em um cristal semicondutor e emitindo um fóton. Contudo, este processo não é tão facilmente estendido à faixa de terahertz.

p "Se você quiser fazer radiação terahertz, você precisa de um fóton de energia muito baixa, então você precisa de dois níveis de energia muito próximos, e isso é difícil de fazer com os semicondutores que a natureza nos dá, "disse Williams.

p Ele e seus colaboradores no Laboratório de Dispositivos Terahertz e Nanoestruturas Intersubband produzem fótons de terahertz por meio da engenharia de materiais artificiais que imitam os níveis de energia dos átomos. Esses chamados "lasers em cascata quântica" são feitos organizando diferentes semicondutores em camadas - alguns com apenas alguns átomos de espessura - para formar poços quânticos. Os poços quânticos são como minúsculas "caixas" que confinam os elétrons a certos níveis de energia escolhidos pelo projeto. À medida que um elétron faz a transição entre diferentes níveis de energia, ele emite fótons. Um único elétron pode cascatear entre os muitos poços quânticos em um laser de cascata quântica e acionar a emissão de vários fótons terahertz, produzindo assim um poderoso feixe de laser. Outra vantagem dos lasers em cascata quântica é que a frequência dos fótons emitidos pode ser modulada.

p "Em vez de se limitar ao gap que a natureza oferece, podemos mudar a largura desses poços quânticos para escolher o gap efetivo [e mudar a frequência dos fótons]. Esse é um conceito muito poderoso, "disse Williams.

p Embora os lasers em cascata quântica sejam poderosos e sintonizáveis ​​em frequência, uma desvantagem significativa tem sido a qualidade do feixe baixo.

p "Pense em um apontador laser, que tem um feixe muito bom, "Williams disse." O feixe vai onde você quiser, e parece um bom local. Você não está desperdiçando luz. "

p Lasers Terahertz, por outro lado, muitas vezes têm feixes que são altamente divergentes, o que significa que o feixe de luz se espalha e, consequentemente, se torna menos poderoso. Em alguns casos, o feixe de um laser terahertz diverge tanto que apenas 0,1 por cento dele termina onde foi inicialmente planejado.

p Uma grande conquista do laboratório de Williams foi a criação de um tipo de laser em cascata quântica terahertz que possui um padrão de feixe excelente e alta potência.

p "Nossa inovação foi fazer uma superfície artificial composta de várias pequenas antenas de laser [estruturas de metal que funcionam como um amplificador em cascata quântica]. O efeito líquido é um espelho que reflete a luz terahertz conforme a amplifica e a focaliza no mesmo Tempo, "disse Williams." Acreditamos que essa capacidade nos permitirá criar lasers com controle de quase todas as propriedades da luz - seu comprimento de onda, amplitude, Estágio, e polarização. "

p Williams e sua equipe também estão explorando como os lasers em cascata quântica podem ser projetados para operar em temperatura ambiente. Atualmente, os cientistas devem resfriar seus lasers até 77 Kelvin (-321 ° F), uma etapa que limita o uso dos lasers fora de um laboratório. Agora, Williams está investigando a construção desses lasers usando pontos quânticos em vez de poços quânticos. Enquanto os poços quânticos confinam o movimento dos elétrons em apenas uma dimensão, os pontos quânticos restringem seu movimento em todas as três dimensões. Prevê-se que o confinamento extra em pontos quânticos reduza drasticamente o quanto os elétrons se espalham, o que permitiria que esses lasers funcionassem em temperatura ambiente.

p "Atualmente estamos trabalhando com Diana Huffaker [professora de engenharia elétrica da UCLA], quem cresce pontos quânticos, "disse Williams." [Seu trabalho] nos permitiria fazer os mesmos tipos de engenharia quântica com pontos quânticos que fazemos atualmente com poços quânticos. "