Laser Terahertz portátil de alta potência

Pesquisadores desenvolveram uma versão portátil de alta potência de um dispositivo chamado laser de cascata quântica que pode gerar radiação terahertz fora de um ambiente de laboratório. O laser poderia ser usado em aplicações como identificar câncer de pele e detectar explosivos ocultos.

Até agora, a geração de radiação terahertz poderosa o suficiente para realizar imagens em tempo real e medições espectrais rápidas exigia temperaturas muito abaixo de 200 kelvin (-100 °F) ou inferiores. Essas temperaturas só podiam ser alcançadas com equipamentos volumosos que limitavam o uso da tecnologia a um ambiente de laboratório. O laser de cascata quântica terahertz pode funcionar em temperaturas de até 250 K (-10 ° F), o que significa que apenas um refrigerador portátil compacto é necessário.

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 projetados sob medida. Dentro da estrutura, os elétrons “descem em cascata” por uma espécie de escada, emitindo uma partícula de luz, ou fóton, a cada degrau.

Uma inovação importante foi a duplicação da altura das barreiras dentro do laser para evitar o vazamento dos elétrons, fenômeno que tende a aumentar em altas temperaturas. Anteriormente, as barreiras mais altas eram exploradas esporadicamente, mas produziam resultados inferiores. Os pesquisadores desenvolveram os parâmetros corretos para a estrutura da banda para barreiras altas e um esquema de otimização conceitualmente novo para o projeto.

Essa inovação foi combinada com um esquema de fônon direto que mantém o laser operando através de uma configuração na qual os níveis de laser mais baixos de cada módulo, ou degraus da escada da estrutura, são rapidamente despovoados de elétrons por meio de fônon (ou uma unidade de energia vibracional) espalhando em um estado fundamental, que então serve como o injetor de elétrons no nível superior da próxima etapa e o processo se repete. Esse arranjo dos elétrons no sistema é essencial para que o laser ocorra.

Existem cerca de 15.000 interfaces entre poços quânticos e barreiras, metade das quais não tem nem sete camadas atômicas de espessura. A qualidade e a reprodutibilidade dessas interfaces são de importância crítica para o desempenho dos lasers terahertz.

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 – pode fornecer imagens em tempo real durante exames regulares de câncer de pele ou mesmo durante procedimentos cirúrgicos para extirpar tecidos de câncer de pele. As células cancerosas aparecem dramaticamente em terahertz porque têm concentrações mais altas de água e sangue do que as células normais.

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. A detecção de gases, drogas e explosivos pode se tornar especialmente sofisticada com o uso de radiação terahertz. Compostos como hidróxido, um agente destruidor de ozônio, têm uma “impressão digital” espectral especial dentro da faixa de frequência terahertz, assim como drogas, incluindo metanfetaminas e heroína, e explosivos, incluindo TNT.