Laser Terahertz Portátil: Dispositivo Quântico de Cascata de Alta Potência para Imagem Médica e Segurança

Pesquisadores desenvolveram uma versão portátil de alta potência de um dispositivo chamado laser quântico de cascata que pode gerar radiação terahertz fora de um ambiente de laboratório. O laser poderia potencialmente ser usado em aplicações como localização de câncer de pele e detecção de explosivos escondidos.

Até agora, a geração de radiação terahertz potente o suficiente para realizar imagem em tempo real e medições espectrais rápidas exigia temperaturas muito abaixo de 200 kelvin (-100 °F) ou inferiores. Estas temperaturas só podiam ser alcançadas com equipamentos volumosos que limitavam o uso da tecnologia a um ambiente de laboratório. O laser quântico de cascata terahertz pode funcionar em temperaturas de até 250 K (-10 °F), significando que apenas um cooler 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 poço quântico com poços e barreiras meticulosamente customizados. Dentro da estrutura, elétrons "cascateiam" por uma espécie de escada, emitindo uma partícula de luz, ou fóton, em cada degrau.

Uma inovação importante foi a duplicação da altura das barreiras dentro do laser para prevenir vazamento de elétrons, um fenômeno que tendia a aumentar em altas temperaturas. Anteriormente, barreiras mais altas foram exploradas esporadicamente mas produziram resultados inferiores. Os pesquisadores desenvolveram os parâmetros corretos para a estrutura de banda para barreiras altas e um esquema de otimização conceitualmente novo para o design.

Esta inovação foi emparelhada com um esquema de fônon direto que mantém o laser operando através de uma configuração na qual níveis de lasing inferiores de cada módulo, ou degraus da escada da estrutura, são rapidamente despovoados de elétrons através de dispersão de fônon (ou uma unidade de energia vibracional) em um estado fundamental, que então serve como injetor de elétrons no nível superior do próximo degrau e o processo se repete. Tal arranjo dos elétrons no sistema é essencial para que o lasing ocorra.

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

Em um ambiente médico, o novo sistema portátil — que inclui uma câmera e detector compactos e pode operar em qualquer lugar com uma tomada elétrica — poderia fornecer imagem em tempo real durante exames regulares de câncer de pele ou até durante procedimentos cirúrgicos para excisar tecidos de câncer de pele. As células cancerosas aparecem dramaticamente em terahertz porque têm concentrações mais altas de água e sangue que células normais.

A tecnologia também poderia ser aplicada em muitas indústrias onde a detecção de objetos estranhos dentro de um produto é necessária para assegurar sua segurança e qualidade. Detecção de gases, drogas e explosivos poderia se tornar especialmente sofisticada com o uso de radiação terahertz. Compostos como hidroxila, um agente de destruição 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.