Dentro do meio eletromagnético entre as microondas e a luz visível encontra-se a radiação terahertz, e a promessa de "visão de raio T".

As ondas Terahertz têm frequências mais altas do que as microondas e mais baixas do que a luz infravermelha e visível. Onde a luz óptica é bloqueada pela maioria dos materiais, ondas terahertz podem passar direto, semelhante a microondas. Se eles fossem moldados em lasers, ondas terahertz podem permitir "visão de raios T, "com a capacidade de ver através das roupas, Capas de livro, e outros materiais finos. Essa tecnologia pode produzir batata frita, imagens de maior resolução do que microondas, e ser muito mais seguro do que os raios-X.

A razão pela qual não vemos máquinas de raios T, por exemplo, linhas de segurança de aeroporto e instalações de imagens médicas é que a produção de radiação terahertz requer muito grande, configurações volumosas ou dispositivos que produzem radiação terahertz em uma única frequência - não muito úteis, dado que uma ampla faixa de frequências é necessária para penetrar em vários materiais.

Agora, pesquisadores do MIT, Universidade de Harvard, e o Exército dos EUA construiu um dispositivo compacto, do tamanho de uma caixa de sapatos, que produz um laser terahertz cuja frequência eles podem sintonizar em uma ampla faixa. O dispositivo é desenvolvido comercialmente, peças prontas para uso e é projetado para gerar ondas terahertz aumentando a energia das moléculas no óxido nitroso, ou, como é mais conhecido, gás do riso.

Steven Johnson, professor de matemática no MIT, diz que além da visão de raios T, ondas terahertz podem ser usadas como uma forma de comunicação sem fio, transportando informações em uma largura de banda maior do que o radar, por exemplo, e fazendo isso em distâncias que os cientistas agora podem ajustar usando o dispositivo do grupo.

"Ao sintonizar a frequência terahertz, você pode escolher a distância que as ondas podem viajar pelo ar antes de serem absorvidas, de metros a quilômetros, que dá controle preciso sobre quem pode "ouvir" suas comunicações terahertz ou "ver" seu radar terahertz, "Diz Johnson." Muito parecido com mudar o dial do seu rádio, a capacidade de sintonizar facilmente uma fonte terahertz é crucial para abrir novas aplicações em comunicações sem fio, radar, e espectroscopia. "

Johnson e seus colegas publicaram seus resultados na revista Ciência . Os co-autores incluem o pós-doutorado do MIT Fan Wang, junto com Paul Chevalier, Arman Armizhan, Marco Piccardo, e Federico Capasso, da Harvard University, e Henry Everitt, do Centro de Aviação e Mísseis do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA.

Sala de respiração molecular

Desde a década de 1970, cientistas fizeram experiências com a geração de ondas terahertz usando lasers de gás molecular - configurações em que um laser infravermelho de alta potência é disparado em um grande tubo cheio de gás (normalmente fluoreto de metila) cujas moléculas reagem vibrando e eventualmente girando. As moléculas giratórias podem saltar de um nível de energia para o próximo, a diferença é emitida como uma espécie de energia residual, na forma de um fóton na faixa de terahertz. À medida que mais fótons se acumulam na cavidade, eles produzem um laser terahertz.

Melhorar o design desses lasers de gás tem sido dificultado por modelos teóricos não confiáveis, dizem os pesquisadores. Em pequenas cavidades com altas pressões de gás, os modelos previram isso, além de uma certa pressão, as moléculas seriam muito "apertadas" para girar e emitir ondas terahertz. Em parte por esse motivo, lasers de gás terahertz normalmente usavam cavidades de metros de comprimento e grandes lasers infravermelhos.

Contudo, nos anos 1980, Everitt descobriu que era capaz de produzir ondas terahertz em seu laboratório usando um laser de gás que era muito menor do que os dispositivos tradicionais, a pressões muito mais altas do que os modelos disseram que era possível. Essa discrepância nunca foi totalmente explicada, e o trabalho com lasers de gás terahertz caiu no esquecimento em favor de outras abordagens.

Alguns anos atrás, Everitt mencionou este mistério teórico para Johnson quando os dois estavam colaborando em outro trabalho como parte do Instituto de Nanotecnologias de Soldados do MIT. Junto com Everitt, Johnson e Wang aceitaram o desafio, e finalmente formulou uma nova teoria matemática para descrever o comportamento de um gás em uma cavidade molecular de laser de gás. A teoria também explicou com sucesso como as ondas terahertz podem ser emitidas, mesmo desde muito pequeno, cavidades de alta pressão.

Johnson diz que, embora as moléculas de gás possam vibrar em múltiplas frequências e taxas de rotação em resposta a uma bomba infravermelha, as teorias anteriores descartaram muitos desses estados vibracionais e presumiram, em vez disso, que um punhado de vibrações era o que importava em última instância na produção de uma onda terahertz. Se uma cavidade fosse muito pequena, teorias anteriores sugeriam que as moléculas que vibram em resposta a um laser infravermelho entrando colidem com mais freqüência, liberando sua energia em vez de aumentá-la ainda mais para girar e produzir terahertz.

Em vez de, o novo modelo rastreou milhares de estados vibracionais e rotacionais relevantes entre milhões de grupos de moléculas dentro de uma única cavidade, usando novos truques computacionais para tornar um problema tão grande tratável em um computador laptop. Em seguida, analisou como essas moléculas reagiriam à luz infravermelha que entra, dependendo de sua posição e direção dentro da cavidade.

"Descobrimos que, quando você inclui todos esses outros estados vibracionais que as pessoas estavam jogando fora, eles te dão uma proteção, "Diz Johnson." Em modelos mais simples, as moléculas estão girando, mas quando se chocam com outras moléculas, perdem tudo. Depois de incluir todos esses outros estados, isso não acontece mais. Essas colisões podem transferir energia para outros estados vibracionais, e dá a você mais espaço para respirar para continuar girando e fazendo ondas terahertz. "

Rindo, discado

Assim que a equipe descobriu que seu novo modelo previu com precisão o que Everitt observou décadas atrás, eles colaboraram com o grupo de Capasso em Harvard para projetar um novo tipo de gerador compacto de terahertz, combinando o modelo com novos gases e um novo tipo de laser infravermelho.

Para a fonte infravermelha, os pesquisadores usaram um laser em cascata quântica, ou QCL - um tipo mais recente de laser que é compacto e também ajustável.

"Você pode girar um botão, e muda a frequência do laser de entrada, e a esperança era que pudéssemos usar isso para alterar a frequência de lançamento do terahertz, "Diz Johnson.

Os pesquisadores se uniram a Capasso, pioneira no desenvolvimento de QCLs, que forneceu um laser que produziu uma gama de potência que sua teoria previu que funcionaria com uma cavidade do tamanho de uma caneta (cerca de 1/1, 000 do tamanho de uma cavidade convencional). Os pesquisadores então procuraram um gás para girar.

A equipe pesquisou bibliotecas de gases para identificar aqueles que giravam de certa forma em resposta à luz infravermelha, eventualmente caindo no óxido nitroso, ou gás hilariante, como um candidato ideal e acessível para seu experimento.

Eles pediram óxido nitroso para laboratório, que eles bombearam para uma cavidade do tamanho de uma caneta. Quando eles enviaram luz infravermelha do QCL para a cavidade, eles descobriram que podiam produzir um laser terahertz. Enquanto eles ajustavam o QCL, a frequência das ondas terahertz também mudou, em uma ampla gama.

"Essas demonstrações confirmam o conceito universal de uma fonte de laser molecular terahertz, que pode ser amplamente sintonizável em todos os seus estados rotacionais quando bombeada por um QCL continuamente sintonizável, "Wang diz.

Desde esses experimentos iniciais, os pesquisadores ampliaram seu modelo matemático para incluir uma variedade de outras moléculas de gás, como monóxido de carbono e amônia, fornecendo aos cientistas um menu de diferentes opções de geração de terahertz com diferentes frequências e intervalos de sintonia, emparelhado com um QCL correspondente a cada gás. As ferramentas teóricas do grupo também permitem aos cientistas adaptar o projeto da cavidade a diferentes aplicações. Eles agora estão avançando em direção a feixes mais focados e poderes superiores, com desenvolvimento comercial no horizonte.

Johnson diz que os cientistas podem se referir ao modelo matemático do grupo para projetar novos, lasers terahertz compactos e ajustáveis, usando outros gases e parâmetros experimentais.

"Esses lasers de gás foram por muito tempo vistos como tecnologia antiga, e as pessoas presumiram que eram enormes, baixo consumo de energia, coisas não controláveis, então eles olharam para outras fontes de terahertz, "Diz Johnson." Agora estamos dizendo que eles podem ser pequenos, sintonizável, e muito mais eficiente. Você pode caber isso na sua mochila, ou em seu veículo para comunicação sem fio ou imagens de alta resolução. Porque você não quer um cíclotron em seu carro. "