Uma equipe de pesquisa internacional da Alemanha, Itália, e o Reino Unido desenvolveu um componente fotônico chave para a faixa espectral de terahertz. Ao misturar ressonâncias eletrônicas em nanoestruturas semicondutoras com o campo de fótons de microrressonadores, eles projetaram um espelho manchado que branqueia com mais facilidade do que nunca e poderia tornar os lasers terahertz ultrarrápidos. Os resultados são publicados na edição atual da Nature Communications .

A radiação Terahertz - freqüentemente chamada de raios T - marca uma das últimas fronteiras da fotônica. Localizado na lacuna espectral entre a eletrônica de micro-ondas e a óptica infravermelha, Os raios T oferecem um enorme potencial de aplicação, mas sua geração é cara. As primeiras aplicações de terahertz amplamente disponíveis vão desde scanners corporais em aeroportos e detecção rápida de gás até comunicação ultrarrápida. Muitas outras ideias poderiam chegar ao mercado se pulsos ultracurtos pudessem ser gerados diretamente nos chamados lasers em cascata quântica, tipos especiais de acionados eletricamente, lasers compactos de terahertz. Essas fontes normalmente operam em modo de onda contínua, mas foi amplamente previsto que eles poderiam mudar para operação pulsada se um elemento fotônico-chave fosse incorporado ao laser - o chamado absorvedor saturável.

Um absorvedor saturável funciona como um espelho embaçado que fica claro transitoriamente se a luz incidente ficar muito brilhante. Se toda a energia dentro de um laser se concentrasse em um pulso curto, ele facilmente saturaria o absorvedor e sofreria menos perda do que um feixe de onda contínua. Esses elementos estão prontamente disponíveis em óptica, ao passo que no domínio terahertz eles existiam apenas para radiação impraticávelmente intensa, não alcançável com lasers em cascata quântica. Consórcio europeu formado pelos grupos de pesquisa de Miriam S. Vitiello, Pisa, Edmund Linfield, Leeds, e Rupert Huber, Universidade de Regensburg, agora uniram forças para desenvolver uma nova classe de absorventes saturáveis ​​operando em intensidades de saturação muito mais baixas.

Sua nova ideia é inspirada por uma estratégia bem conhecida na música:ressonadores. De onde um piano Steinway obtém seu som único? O segredo está menos nas cordas do que no corpo ressonante. É aqui que o som exato é definido e sua resposta dinâmica a uma tecla forte. "Basicamente, transferimos essa ideia para a ótica terahertz, "diz Jürgen Raab, autor principal do manuscrito. O grupo de Miriam Vitiello projetou uma montagem microestruturada de um espelho de ouro e uma grade de ouro que, em conjunto, funcionam como um corpo ressonante para radiação terahertz. Essas ressonâncias podem ser fortemente acopladas com elétrons que podem saltar entre dois estados quânticos definidos por uma sequência atomicamente precisa de nanoestruturas semicondutoras, projetado e cultivado no grupo de Edmund Linfield.

O pivô:o forte acoplamento entre os elétrons e a microcavidade terahertz resulta em uma excitação que é meio elétron, meio fóton terahertz. Essa situação não apenas molda o "tom" da ressonância, mas também muda drasticamente a maneira como o sistema reage a um "pressionamento de tecla forte, "correspondendo a um pulso de terahertz intenso. O grupo colocou o novo Steinway de terahertz em seu teste final. Em uma configuração especialmente projetada em Regensburg, eles focalizaram um pulso de terahertz ultracurto no absorvedor saturável e desenvolveram uma câmera extrema em câmera lenta para seguir sua dinâmica de saturação na escala de femtossegundo - a milionésima parte de um bilionésimo de segundo.

O resultado surpreendente:o absorvedor não era apenas muito mais fácil de saturar do que apenas a transição eletrônica, por aproximadamente uma ordem de magnitude. Também satura mais rápido do que um único ciclo de oscilação do pulso de terahertz, e o "tom" do ressonador muda tão bem durante o processo de saturação que essencialmente nenhuma absorção permanece enquanto o pulso intenso de THz é aplicado. Esses são os melhores genes possíveis de absorventes saturáveis. Miriam Vitiello está convencida:"Agora temos todos os componentes disponíveis para construir lasers em cascata quântica terahertz ultrarrápidos com absorvedores saturáveis."

Essa fonte poderia estender dramaticamente o escopo da fotônica terahertz. Superando a frequência dos computadores modernos por um fator surpreendente de 1000, pulsos de terahertz ultracurtos podem formar a espinha dorsal dos revolucionários links de telecomunicações da próxima geração. Lasers compactos em cascata quântica, emitindo raios T ultracurtos, pode permitir também impulsionar a análise química e permitir uma enorme variedade de aplicações em diagnósticos e medicina. Com os resultados atuais, um marco importante em direção a essas metas ousadas foi alcançado.