A radiação Terahertz (THz) é um pouco como uma arca do tesouro que resiste a ser totalmente aberta. Residindo no espectro eletromagnético entre as regiões de infravermelho e micro-ondas, A radiação THz combina uma gama de propriedades ideais para aplicações. Ele fornece uma janela para informações espectroscópicas exclusivas sobre moléculas e sólidos, pode penetrar em materiais não condutores, como têxteis e tecidos biológicos, e faz isso sem ionizar - e, portanto, danificar - o objeto, ou assunto, em estudo. Isso abre perspectivas intrigantes para imagens não invasivas e controle de qualidade não destrutivo, entre outras aplicações. Mas, embora não faltem ideias para usos potenciais, sua implementação é dificultada pela falta de tecnologias práticas para gerar e detectar radiação THz.

Daí a empolgação como Lorenzo Bosco, Martin Franckié e colegas do grupo de Jérôme Faist no Instituto de Eletrônica Quântica da ETH Zurique relataram a realização de um laser em cascata quântica THz que opera a uma temperatura de 210 K (-63 ° C). Essa é a temperatura operacional mais alta alcançada até agora para este tipo de dispositivo. Mais importante, esta é a primeira vez que a operação de tal dispositivo foi demonstrada em um regime de temperatura onde nenhum refrigerante criogênico é necessário. Em vez de, Bosco et al. usou um refrigerador termoelétrico, que é muito mais compacto, mais barato e mais fácil de manter do que o equipamento criogênico. Com este avanço, eles removeram os principais obstáculos no caminho para várias aplicações práticas.

Uma cascata em direção aos aplicativos

Os lasers em cascata quântica (QCLs) foram estabelecidos há muito tempo como um conceito natural para dispositivos THz. Como muitos lasers que são amplamente usados ​​como fontes de luz na região de frequência do visível ao infravermelho, QCLs são baseados em materiais semicondutores. Mas, em comparação com os lasers de semicondutores típicos usados, por exemplo, em leitores de código de barras ou ponteiros laser, Os QCLs operam de acordo com um conceito fundamentalmente diferente para atingir a emissão de luz. Resumidamente, eles são construídos em torno de pilhas repetidas de estruturas semicondutoras precisamente projetadas (veja a figura, painel c), que são projetados de modo que transições eletrônicas adequadas ocorram neles (painel d).

QCLs foram propostos em 1971, mas foram demonstrados pela primeira vez apenas em 1994, por Faist e colegas, então trabalhando na Bell Laboratories (EUA). A abordagem provou seu valor em uma ampla gama de experimentos, fundamental e aplicado, principalmente na região do infravermelho. O desenvolvimento de QCLs para emissão de THz fez avanços substanciais, também, a partir de 2001. O uso generalizado foi dificultado pela necessidade de refrigerantes criogênicos - normalmente hélio líquido - que adiciona complexidade e custos substanciais, e torna os dispositivos grandes e menos móveis. O progresso em direção à operação de THz QCLs em temperaturas mais altas foi essencialmente estagnado no ponto sete anos atrás, quando a operação dos dispositivos em torno de 200 K (-73 ° C) foi alcançada.

Barreira cruzada

Atingir 200 K foi um feito impressionante. Essa temperatura, Contudo, está logo abaixo da marca onde as técnicas criogênicas poderiam ser substituídas por resfriamento termoelétrico. O fato de a temperatura recorde não ter mudado desde 2012 também significou que algum tipo de 'barreira psicológica' começou a subir - muitos no campo começaram a aceitar que os THz QCLs sempre teriam que operar em conjunto com um resfriador criogênico.

A equipe ETH já quebrou essa barreira. Escrevendo em Cartas de Física Aplicada , eles apresentam um THz QCL termeletricamente resfriado, operando em temperaturas de até 210 ° K. Além disso, a luz laser emitida era forte o suficiente para ser medida com um detector de temperatura ambiente. Isso significa que toda a configuração funcionou sem resfriamento criogênico, fortalecer ainda mais o potencial da abordagem para aplicações práticas.

Bosco, Franckié e seus colegas de trabalho conseguiram remover a 'barreira de resfriamento' devido a duas realizações relacionadas. Primeiro, eles usaram no projeto de suas pilhas QCL a estrutura de unidade mais simples possível, com base em dois chamados poços quânticos por período (veja a figura, painel d). Esta abordagem é conhecida por ser uma rota para temperaturas de operação mais altas, mas, ao mesmo tempo, esse projeto de dois poços também é extremamente sensível às menores mudanças na geometria das estruturas semicondutoras. Otimizar o desempenho em relação a um parâmetro pode levar à degradação em relação a outro. Com a otimização experimental sistemática não sendo uma opção viável, eles tiveram que confiar na modelagem numérica.

Esta é a segunda área em que o grupo fez progressos substanciais. Em trabalho recente, eles estabeleceram que podem simular com precisão dispositivos QCL experimentais complexos, usando uma abordagem conhecida como modelo de função de Green sem equilíbrio. Os cálculos devem ser realizados em um cluster de computador poderoso, mas eles são eficientes o suficiente para que possam ser usados ​​para pesquisar sistematicamente os designs ideais. A capacidade do grupo de prever com precisão as propriedades dos dispositivos - e de fabricar dispositivos de acordo com especificações precisas - deu a eles as ferramentas para realizar uma série de lasers que funcionam consistentemente em temperaturas que poderiam ser alcançadas com resfriamento termoelétrico (veja a figura, painéis aeb). E a abordagem não está de forma alguma esgotada. Idéias para aumentar ainda mais a temperatura operacional existem no grupo Faist, e os resultados preliminares parecem promissores.

Preenchendo a lacuna THz

A primeira demonstração de um laser em cascata quântica terahertz operando sem resfriamento criogênico constitui um passo importante para preencher a 'lacuna de THz', que existe há muito tempo entre as tecnologias maduras para microondas e radiação infravermelha. Sem partes móveis ou líquidos circulantes envolvidos, o tipo de THz QCLs termeletricamente resfriado agora introduzido pelos físicos da ETH pode ser mais facilmente aplicado e mantido fora dos limites de laboratórios especializados - levantando ainda mais a tampa da 'arca do tesouro THZ'.