Pesquisadores do MIT e da Universidade de Waterloo desenvolveram um sistema de alta potência, versão portátil de um dispositivo chamado laser de cascata quântica, que pode gerar radiação terahertz fora de um ambiente de laboratório. O laser pode ser usado em aplicações como localização de câncer de pele e detecção de explosivos ocultos.

Até agora, a geração de radiação terahertz poderosa o suficiente para realizar imagens em tempo real e medições espectrais rápidas exigia temperaturas bem abaixo de 200 Kelvin (-100 graus Fahrenheit) ou menos. Essas temperaturas só podiam ser alcançadas com equipamentos volumosos que limitavam o uso da tecnologia a um ambiente de laboratório. Em um artigo publicado em Nature Photonics , O distinto professor de Engenharia Elétrica e Ciências da Computação do MIT Qing Hu e seus colegas relatam que seu laser quântico terahertz em cascata pode funcionar em temperaturas de até 250 K (-10 graus Fahrenheit), o que significa que apenas um refrigerador portátil compacto é necessário.

Lasers de cascata quântica Terahertz, pequenos dispositivos a laser semicondutores embutidos em chips, foram inventados pela primeira vez em 2002, mas adaptá-los para operar muito acima de 200 K provou ser tão difícil que muitas pessoas no campo especularam que havia uma razão física fundamental para impedi-lo, Hu diz.

"Com uma alta temperatura operacional, podemos finalmente colocar isso em um sistema portátil compacto e levar essa tecnologia inovadora para fora do laboratório, "Hu diz." Isso permitirá imagens portáteis de terahertz e sistemas espectrais que terão um impacto imediato em uma ampla gama de aplicações na medicina, bioquímica, segurança, e outras áreas. "

Hu começou a pesquisar as frequências terahertz - uma banda do espectro eletromagnético entre as microondas e a faixa do infravermelho - em 1991.

"Levei 11 anos e três gerações de alunos para fazer nosso próprio [laser quântico terahertz em cascata] em 2002, "diz ele. Desde então, as temperaturas máximas de operação que limitaram o uso de radiação terahertz permaneceram bem abaixo da temperatura ambiente. O máximo de 250 K relatado neste artigo representa um salto considerável em relação ao máximo anterior de 210 K, que foi estabelecido em 2019, batendo um recorde anterior de 200 K em 2012, que permaneceu intocado por sete anos.

Os lasers, que medem apenas alguns milímetros de comprimento e são mais finos que um fio de cabelo humano, são estruturas de poços quânticos com poços e barreiras meticulosamente planejados. Dentro da estrutura, elétrons "caem em cascata" descendo uma espécie de escada, emitindo uma partícula de luz, ou fóton, em cada etapa.

Uma inovação importante descrita no Nature Photonics papel era a duplicação da altura das barreiras dentro do laser para evitar o vazamento de elétrons, um fenômeno que tendia a aumentar em altas temperaturas.

"Nós entendemos que o vazamento de elétrons além da barreira era o assassino, "fazendo o sistema quebrar se não for resfriado com um criostato, Hu diz. "Então, colocamos uma barreira mais alta para evitar o vazamento, e isso acabou sendo a chave para o avanço ".

Anteriormente, barreiras mais altas foram exploradas esporadicamente, mas eles produziram resultados inferiores, Hu diz. A opinião predominante era que o aumento do espalhamento de elétrons associado às barreiras mais altas era prejudicial, e, portanto, barreiras mais altas devem ser evitadas.

A equipe de pesquisa desenvolveu os parâmetros corretos para a estrutura de banda para barreiras altas e um esquema de otimização conceitualmente novo para o projeto.

Esta inovação foi combinada com um "esquema de fonon direto" que mantém o laser operando por meio de uma configuração em que níveis de laser mais baixos de cada módulo, ou degraus da escada da estrutura, são rapidamente despovoados de elétrons através do fônon (ou uma unidade de energia vibracional) espalhando-se em um estado fundamental, que então serve como injetor de elétrons para o nível superior da próxima etapa, e o processo se repete. Tal arranjo dos elétrons no sistema é essencial para que o laser ocorra, como previsto pela primeira vez por Einstein em 1916.

“São estruturas muito complexas com cerca de 15, 000 interfaces entre poços quânticos e barreiras, metade dos quais não têm nem sete camadas atômicas de espessura, "diz o co-autor Zbig Wasilewski, professor de engenharia elétrica e da computação e cadeira dotada de nanotecnologia da Universidade de Waterloo. "A qualidade e reprodutibilidade dessas interfaces são de importância crítica para o desempenho dos lasers terahertz. Levou o melhor em recursos de crescimento epitaxial de feixe molecular - a principal contribuição de nossa equipe de pesquisa - junto com a experiência de nossos colaboradores do MIT em modelagem e fabricação de dispositivos quânticos, para fazer um progresso tão importante neste setor desafiador da fotônica THz. "

Em um ambiente médico, o novo sistema portátil, que inclui uma câmera compacta e detector e pode operar em qualquer lugar com uma tomada elétrica, poderia fornecer imagens em tempo real durante exames regulares de câncer de pele ou mesmo durante procedimentos cirúrgicos para extirpar tecidos cancerígenos. As células cancerosas aparecem "de forma muito dramática em terahertz" porque têm maiores concentrações de água e sangue do que as células normais, Hu diz.

A tecnologia também pode ser aplicada em muitas indústrias onde a detecção de objetos estranhos dentro de um produto é necessária para garantir sua segurança e qualidade.

Detecção de gases, drogas, e os explosivos podem se tornar especialmente sofisticados com o uso de radiação terahertz. Por exemplo, compostos como hidróxido, um agente destruidor de ozônio, têm uma "impressão digital" espectral especial dentro da fúria da frequência terahertz, assim como as drogas, incluindo metanfetamina e heroína, e explosivos, incluindo TNT.

"Não só podemos ver objetos através de materiais opticamente opacos, mas também podemos identificar as substâncias, "Hu diz.

Hu diz que vê "um caminho claro" para o objetivo de gerar terahertz poderosos sem precisar de um refrigerador.

"Usar o esquema de fonon direto e barreiras mais altas é o caminho a seguir, "ele diz." Eu posso finalmente ver a luz no fim do túnel quando atingirmos a temperatura ambiente. "