Introdução à banda Terahertz

Saiba mais sobre a banda terahertz, suas propriedades e os aplicativos em que ela encontra utilidade.

Se você já ouviu o termo "intervalo THz", mas não sabia o que significava, este artigo é para você.

O espectro Terahertz

A radiação Terahertz (THz) é geralmente definida como a região do espectro eletromagnético na faixa de 100 GHz (3 mm) a 10 THz (30 μm), que está entre as frequências milimétricas e infravermelhas. A banda THz recebeu vários nomes, como submilímetro, infravermelho distante e onda quase milimétrica.

Em 1 THz, o sinal irradiado tem as seguintes características:

• Comprimento de onda: 300 μm em espaço livre
• Período: 1 ps,
• Energia do fóton: 4,14 meV

Além disso, hf / k _B =48 K de temperatura onde h é a constante de Planck (6,62607004 × 10 ^-34 J.s), f é a frequência e k _B é a constante de Boltzmann (1,380649 × 10 ⁻²³ J / K).

A banda THz no espectro eletromagnético é mostrada na Figura 1.

Figura 1. Diagrama esquemático mostrando a localização da banda THz no espectro eletromagnético

Esta porção do espectro eletromagnético é a área menos investigada quando comparada às regiões vizinhas, ou seja, o microondas e as bandas ópticas.

É por isso que o termo “intervalo THz” é usado para explicar a infância desta banda em comparação com regiões espectrais vizinhas bem desenvolvidas. Isso levou pesquisadores de vários discípulos (como física, ciência dos materiais, eletrônica, óptica e química) a investigar vários aspectos inexplorados ou menos explorados das ondas THz.

Propriedades de ondas Terahertz

Embora o interesse pela região THz remonte à década de 1920, extensos estudos foram dedicados a esta região apenas nas últimas três décadas. A principal motivação para isso são as propriedades excepcionais das ondas e as vastas aplicações possíveis na faixa de frequência THz.

As ondas THz têm características intermediárias das duas bandas que estão entre elas.

Essas propriedades podem ser resumidas da seguinte forma:

1. Penetração: O comprimento de onda da radiação THz é maior do que o comprimento de onda infravermelho; portanto, as ondas THz têm menos dispersão e melhores profundidades de penetração (na faixa de cm) em comparação com as infravermelhas (na faixa de μm). Portanto, os materiais secos e não metálicos são transparentes nesta faixa, mas são opacos no espectro visível.
2. Resolução: As ondas THz têm comprimentos de onda mais curtos em comparação com as ondas de microondas; isso oferece uma melhor resolução de imagem espacial.
3. Segurança: As energias dos fótons na banda THz são muito mais baixas do que os raios-X. Portanto, a radiação THz é não ionizante.
4. Impressão digital espectral: Os modos inter e intra-vibracionais de muitas moléculas encontram-se na faixa THz.

Desafios no desenvolvimento da banda THz

Embora a banda THz tenha várias características fascinantes, existem alguns desafios específicos para as tecnologias THz. A principal razão pela qual o campo THz foi subdesenvolvido em comparação com as bandas vizinhas é a falta de fontes e detectores de THz eficientes, coerentes e compactos.

Essas características para as fontes podem ser encontradas nas fontes de frequência de micro-ondas comuns, como transistores ou antenas RF / MW, e em dispositivos que trabalham na faixa visível e infravermelha, como diodos de laser semicondutor. Não é possível, no entanto, adotar essas tecnologias para operação na região THz sem uma redução significativa de energia e eficiência.

Na extremidade inferior da faixa de frequência THz, dispositivos eletrônicos de estado sólido são empregados em geral; no entanto, esses dispositivos têm roll-offs de 1 / f ² devido aos efeitos reativos-resistivos e longos tempos de trânsito. Por outro lado, dispositivos ópticos, como lasers de diodo, não funcionam bem no limite da faixa THz devido à falta de materiais com energias de bandgap adequadamente pequenas.

Outro desafio na banda THz são as perdas elevadas. As ondas THz têm alta absorção na situação atmosférica e no ambiente úmido. A atenuação atmosférica em todo o espectro eletromagnético é ilustrada na Figura 2.

Figura 2. Atenuação ao nível do mar para diferentes situações atmosféricas:Chuva =4 mm / h; Nevoeiro =visibilidade de 100 m; STD =7,5 g / m ³ vapor d'água; 2 × STD =15 g / m ³ vapor d'água. Imagem de M. C. Kemp via IEEE Xplore

É óbvio que a degradação do sinal na faixa THz é consideravelmente maior do que as bandas de microondas e infravermelho. Isso ocorre em parte porque as moléculas de água ressoam nessa faixa.

As características atmosféricas adversas das ondas THz as tornam uma região de frequência de trabalho adequada para os dois casos a seguir:

• Aeroespacial: No espaço, o ambiente é quase vazio, então a absorção do sinal e a atenuação devido às gotas de água não são problemas. Além disso, a assinatura espectral da poeira interestelar está localizada na região THz. Portanto, a tecnologia THz tem sido amplamente utilizada na radioastronomia, como o lançamento do Observatório Espacial Herschel pela Agência Espacial Europeia.
• Curto alcance: Para aplicações de curto alcance, a atenuação atmosférica é desprezível, especialmente nas frequências com alta absorção. Isso facilita a remoção / reconhecimento do efeito dessas linhas estreitas. Conseqüentemente, a tecnologia THz é uma ferramenta com muitos recursos para investigações fundamentais em várias disciplinas, como física e química. Além disso, é uma opção atraente para comunicação sem fio de curto alcance com altas taxas de dados.

Aplicações da radiação Terahertz

A radiação THz pode ser usada em muitas aplicações potenciais, incluindo imagens terahertz, espectroscopia e comunicação sem fio.

A imagem biomédica é uma das subcategorias da imagem THz. As ondas THz podem penetrar até algumas centenas de micrômetros nos tecidos humanos; assim, as imagens médicas da THz podem ser aplicadas para diagnósticos de superfície corporal, como detecção de câncer de pele, boca e mama, e imagens dentárias. Além disso, os sistemas THz têm mercado potencial para aplicativos de segurança, detecção de material explosivo sólido e triagem de correspondência. Por último, mas não menos importante, a imagem THz é um método conveniente para inspeções de embalagens de semicondutores.

A espectroscopia THz é uma técnica muito poderosa para caracterizar propriedades de materiais e entender sua assinatura nesta banda. A espectroscopia THz melhorou a compreensão dos recursos de absorção em muitas amostras de cristal único, microcristalinas e em pó de moléculas orgânicas.

A Figura 3 indica uma amostra do resultado da medição para identificar os modos vibracionais das moléculas de maltose.

Figura 3. O espectro vibracional medido de maltose em um sistema de espectroscopia no domínio do tempo THz, o gráfico superior mostra o sinal THz medido sem uma amostra de maltose. As setas no gráfico abaixo mostram as frequências vibracionais das moléculas de maltose. A inserção mostra a estrutura molecular da maltose. Imagem de Y. C. Shen et al via Applied Physics Letters .

A espectroscopia THz tem aplicações em ciências bioquímicas, como análise de assinaturas de DNA e estruturas de proteínas. O controle em linha dos processos de produção é outra aplicação potencial da espectroscopia THz, que pode fornecer medições sem contato e em tempo real. A espectroscopia THz pode ser manipulada positivamente para distinguir as substâncias hidratadas das secas devido à alta absorção de água nas frequências THz. Por exemplo, na indústria de papel, a espectroscopia THz tem sido usada para monitorar a espessura e o teor de umidade dos papéis pelos fabricantes.

Em algumas aplicações, como testes não destrutivos, tanto a imagem THz quanto a espectroscopia são empregadas. Por exemplo, em uma investigação da história da arte, a imagem e a espectroscopia THz ajudam a obter imagens de antiguidades, para revelar a espessura das diferentes camadas da obra de arte e mostrar os tipos de materiais.

A Figura 4 mostra uma fotografia visível da Madonna em Preghiera (esquerda) e imagem THz da pintura com base no espectro integrado entre 0,5 - 1 THz (direita).

Figura 4. (a) fotografia visível da Madonna em Preghiera (b) imagem THz da Madonna em Preghiera no espectro integrado entre 0,5 e 1 THz. Imagem de J. Dong et al via Relatórios Científicos

A imagem THz fornece informações sobre as camadas inferiores da pintura com um grau de detalhes inovador da ordem de dezenas de mícrons.

Além disso, a imagem e a espectroscopia THz são dois métodos não invasivos quantitativos e qualitativos fortes para examinar formas farmacêuticas de dosagem sólida, revestimentos de comprimidos e ingredientes farmacêuticos ativos. Por exemplo, a Figura 5 mostra a variação entre comprimidos da espessura da camada de revestimento de oito comprimidos com o mesmo tempo de revestimento no processo de revestimento na região THz.

Figura 5. A espessura média do revestimento de cada comprimido individual em relação ao tempo de revestimento. A inserção mostra o mapa da espessura do revestimento (μm) de oito comprimidos com o mesmo tempo de revestimento de 120 min. Uma grande variação de comprimido para comprimido na espessura do revestimento é óbvia. Imagem de Y. C. Shen através do International Journal of Pharmaceutics

O potencial da banda Terahertz

Durante o final do século 20 e a primeira década do século 21, quando a enorme quantidade de experimentos de laboratório THz estavam ocorrendo, os pesquisadores se concentraram principalmente em várias aplicações potenciais de THz e resultados muito promissores foram alcançados. Na verdade, esses resultados experimentais fascinantes foram uma grande motivação e força motriz para muitos pesquisadores se aprofundarem no campo do THz e explorá-lo de diferentes aspectos.

Devido ao progresso contínuo no campo de pesquisa THz nos últimos anos, os sistemas e aplicativos THz estão encontrando seus lugares em algumas aplicações comerciais. No entanto, para que as ondas THz sejam capazes de competir e superar outras tecnologias em cenários do mundo real, várias questões devem ser abordadas e / ou aprimoradas. Por exemplo, fontes THz compactas e de alta potência são necessárias, os sistemas de medição THz devem ser miniaturizados, métodos para uma varredura de feixe THz mais rápida são necessários e os sistemas THz devem ter um custo mais baixo.

Outro campo de pesquisa em ascensão é a comunicação sem fio THz. Isso é particularmente procurado porque permite comunicações sem fio de alta velocidade além de 5G. Portanto, vários estudos são necessários para amadurecer e atingir o potencial total da banda THz.

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