La gamma di frequenze terahertz, che si trova nel mezzo dello spettro elettromagnetico tra microonde e luce infrarossa, offre il potenziale per comunicazioni a larghezza di banda elevata, immagini ad altissima risoluzione, rilevamento preciso a lungo raggio per la radioastronomia, e altro ancora.

Ma questa sezione dello spettro elettromagnetico è rimasta fuori portata per la maggior parte delle applicazioni. Questo perché le attuali sorgenti di frequenze terahertz sono ingombranti, inefficiente, avere un'accordatura limitata, oppure deve funzionare a bassa temperatura.

Ora, ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), in collaborazione con il Massachusetts Institute of Technology e l'esercito degli Stati Uniti, hanno sviluppato un compatto, temperatura ambiente, laser terahertz ampiamente sintonizzabile.

La ricerca è pubblicata su Scienza .

"Questo laser supera qualsiasi sorgente laser esistente in questa regione spettrale e la apre, per la prima volta, a un'ampia gamma di applicazioni nel campo della scienza e della tecnologia, " disse Federico Capasso, il Robert L. Wallace Professor of Applied Physics e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering presso SEAS e co-autore senior dell'articolo.

"Ci sono molte esigenze per una sorgente come questo laser, cose come a corto raggio, comunicazioni wireless a banda larga, radar ad altissima risoluzione, e spettroscopia, " disse Henry Everitt, tecnologo senior presso il CCDC Aviation &Missile Center dell'esercito degli Stati Uniti e co-autore senior del documento.

Everitt è anche professore a contratto di fisica alla Duke University.

Sebbene la maggior parte delle sorgenti terahertz elettroniche o ottiche utilizzino grandi, inefficiente, e sistemi complessi per produrre le frequenze sfuggenti con gamma di sintonia limitata, Capasso, Everitt, e il loro team ha adottato un approccio diverso.

Per capire cosa hanno fatto, esaminiamo un po' di fisica di base su come funziona un laser.

Nella fisica quantistica, atomi o molecole eccitati siedono a diversi livelli di energia:pensate a questi come ai piani di un edificio. In un tipico laser a gas, un gran numero di molecole sono intrappolate tra due specchi e portate ad un livello energetico eccitato, ovvero un piano più alto dell'edificio. Quando raggiungono quel piano, decadono, scendere di un livello di energia, ed emette un fotone. Questi fotoni stimolano il decadimento di più molecole mentre rimbalzano avanti e indietro, portando all'amplificazione della luce. Per modificare la frequenza dei fotoni emessi, è necessario modificare il livello di energia delle molecole eccitate.

Così, come si cambia il livello di energia? Un modo è usare la luce. In un processo chiamato pompaggio ottico, la luce solleva le molecole da un livello energetico inferiore a uno superiore, come un ascensore quantistico. I precedenti laser molecolari terahertz utilizzavano pompe ottiche, ma erano limitati nella loro sintonizzabilità a poche frequenze, il che significa che l'ascensore è andato solo a un piccolo numero di piani.

La svolta di questa ricerca è che Capasso, Everitt, e il loro team ha utilizzato un altamente sintonizzabile, laser a cascata quantica (QCL) come pompa ottica. Questi potenti, laser portatili, co-inventato da Capasso e dal suo gruppo ai Bell Labs negli anni '90, sono in grado di produrre in modo efficiente luce ampiamente sintonizzabile. In altre parole, questo ascensore quantistico può fermarsi ad ogni piano dell'edificio.

La teoria per ottimizzare il funzionamento del nuovo laser è stata sviluppata da Steven Johnson, professore di matematica applicata e fisica al MIT, e il suo studente laureato Fan Wang.

I ricercatori hanno combinato la pompa laser a cascata quantica con un laser a protossido di azoto, noto anche come gas esilarante.

"Ottimizzando la cavità laser e le lenti, siamo stati in grado di produrre frequenze che coprono quasi 1 terahertz, " ha detto Arman Amirzhan, studente laureato nel gruppo di Capasso e coautore del paper.

"I laser THz molecolari pompati da un laser a cascata quantica offrono un'elevata potenza e un'ampia gamma di sintonizzazione in un design sorprendentemente compatto e robusto, " ha affermato il premio Nobel Theodor Hänsch del Max-Planck Institute for Quantum Optics di Monaco di Baviera, che non è stato coinvolto in questa ricerca. "Tali fonti sbloccheranno nuove applicazioni dal rilevamento alla spettroscopia fondamentale".

"La cosa eccitante è che il concetto è universale, " disse Paul Chevalier, un borsista post-dottorato presso SEAS e primo autore del documento. "Utilizzando questo quadro, potresti realizzare una sorgente terahertz con un laser a gas di quasi tutte le molecole e le applicazioni sono enormi".

"Questo risultato è unico, " ha detto Capasso. "La gente sapeva come fare un laser terahertz prima, ma non poteva farlo a banda larga. Non è stato fino a quando non abbiamo iniziato questa collaborazione, dopo un incontro fortuito con Henry a una conferenza, che siamo stati in grado di stabilire la connessione in modo da poter utilizzare una pompa ampiamente sintonizzabile come il laser a cascata quantica".

Questo laser potrebbe essere utilizzato in tutto, dal miglioramento dell'imaging della pelle e del cancro al seno al rilevamento di farmaci, sicurezza dell'aeroporto, e collegamenti wireless ottici ad altissima capacità.

"Sono particolarmente entusiasta della possibilità di utilizzare questo laser per aiutare a mappare il mezzo interstellare, " disse Everitt. "Le molecole hanno impronte digitali spettrali uniche nella regione dei terahertz, e gli astronomi hanno già iniziato a utilizzare queste impronte digitali per misurare la composizione e la temperatura di queste nubi primordiali di gas e polvere. Una migliore sorgente terrestre di radiazioni terahertz come il nostro laser renderà queste misurazioni ancora più sensibili e precise".

Questa storia è pubblicata per gentile concessione della Harvard Gazette, Il giornale ufficiale dell'Università di Harvard. Per ulteriori notizie universitarie, visita Harvard.edu.