Físicos da Universidade de Michigan lideraram o desenvolvimento de um dispositivo do tamanho de uma cabeça de fósforo que pode dobrar a luz dentro de um cristal para gerar radiação síncrotron em um laboratório.

Quando os físicos dobram feixes muito intensos de partículas carregadas em órbitas circulares perto da velocidade da luz, esta curvatura lança pedaços de luz, ou raios-x, chamada radiação síncrotron. Os pesquisadores liderados pelo U-M usaram seu dispositivo para dobrar a luz visível para produzir luz com um comprimento de onda na faixa de terahertz. Esta faixa de comprimento de onda é consideravelmente maior do que a luz visível, mas muito menor do que as ondas que o seu microondas produz - e pode penetrar nas roupas.

A radiação síncrotron é geralmente gerada em instalações de grande escala, que são normalmente do tamanho de vários estádios de futebol. Em vez de, Os pesquisadores da U-M Roberto Merlin e a equipe de Meredith Henstridge desenvolveram uma maneira de produzir radiação síncrotron imprimindo um padrão de antenas microscópicas de ouro na face polida de um cristal de tantalato de lítio, chamado metassuperfície. A equipe U-M, que também incluiu pesquisadores da Purdue University, usou um laser para pulsar luz através do padrão de antenas, que distorceu a luz e produziu radiação síncrotron.

"Em vez de usar lentes e moduladores de luz espacial para realizar esse tipo de experimento, descobrimos simplesmente padronizando uma superfície com uma metassuperfície, você pode alcançar um fim semelhante, "disse Merlin, professor de física e engenharia elétrica e ciência da computação. "Para fazer a luz se curvar, você tem que esculpir cada pedaço do feixe de luz para uma determinada intensidade e fase, e agora podemos fazer isso de uma forma extremamente cirúrgica. "

Anthony Grbic, Professor U-M de engenharia elétrica e ciência da computação, liderou a equipe que projetou a metassuperfície com o ex-aluno de doutorado Carl Pfeiffer desenvolvendo a metassuperfície.

A metassuperfície é composta por cerca de 10 milhões de minúsculas antenas em forma de bumerangue. Cada antena é consideravelmente menor do que o comprimento de onda da luz incidente, disse Henstridge, autor principal do estudo. Os pesquisadores usam um laser que produz rajadas "ultracurtas" ou pulsos de luz que duram um trilionésimo de segundo. O conjunto de antenas faz com que o pulso de luz acelere ao longo de uma trajetória curva dentro do cristal.

O pulso de luz cria uma coleção de dipolos elétricos - ou, um grupo de pares de carga positiva e negativa. Esta coleção dipolo acelera ao longo da trajetória curva do pulso de luz, resultando na emissão de radiação síncrotron, de acordo com Henstridge, que obteve seu doutorado na U-M e agora é uma cientista de pós-doutorado no Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria em Hamburgo, Alemanha.

O dispositivo dos pesquisadores produz radiação síncrotron que contém muitas frequências terahertz porque os pulsos de luz viajam apenas uma fração de um círculo. Mas eles esperam refinar seu dispositivo para que o pulso de luz gire continuamente ao longo de um caminho circular, produzindo radiação síncrotron em uma única frequência terahertz.

A comunidade científica usa fontes terahertz de frequência única para estudar o comportamento de átomos ou moléculas dentro de um determinado sólido, líquido ou gás. Comercialmente, fontes terahertz são usadas para escanear itens escondidos em roupas e caixas de embalagens. Drogas, gases explosivos e tóxicos têm "impressões digitais" únicas na faixa de terahertz que podem ser identificadas usando espectroscopia de terahertz.

Os usos do dispositivo não se limitam à indústria de segurança.

"A radiação Terahertz é útil para imagens nas ciências biomédicas, "Henstridge disse." Por exemplo, tem sido usado para distinguir entre tecido canceroso e saudável. Um on-chip, fonte terahertz de frequência única, como um minúsculo síncrotron movido a luz, como o nosso dispositivo, pode permitir novos avanços em todos esses aplicativos. "