Invisibile all'occhio umano, Le onde elettromagnetiche terahertz possono "vedere attraverso" qualsiasi cosa, dalla nebbia e le nuvole al legno e alla muratura, un attributo che rappresenta una grande promessa per la ricerca astrofisica, rilevamento di esplosivi nascosti e molte altre applicazioni.

I laser Terahertz possono produrre fotoni con frequenze di trilioni di cicli al secondo, energie comprese tra quelle dei fotoni a infrarossi e a microonde. Questi fotoni, però, sono notoriamente difficili da generare, ed è qui che entra in gioco Benjamin Williams, professore associato di ingegneria elettrica dell'UCLA. Lui e il suo gruppo di ricerca presso la Henry Samueli School of Engineering and Applied Science dell'UCLA sono al lavoro per esplorare "una delle ultime frontiere del campo elettromagnetico spettro, " come lo descrive Williams.

La maggior parte dei laser ottici e infrarossi funzionano tramite la transizione di elettroni tra due livelli di energia in un cristallo semiconduttore ed emettendo un fotone. Però, questo processo non si estende così facilmente alla gamma dei terahertz.

"Se vuoi produrre radiazioni terahertz, hai bisogno di un fotone a bassissima energia, quindi hai bisogno di due livelli energetici molto vicini tra loro, e questo è difficile da fare con i semiconduttori che la natura ci offre, " ha detto Williams.

Lui e i suoi collaboratori al Terahertz Devices and Intersubband Nanostructures Laboratory producono invece fotoni terahertz progettando materiali artificiali che imitano i livelli di energia degli atomi. Questi cosiddetti "laser a cascata quantica" sono realizzati disponendo diversi semiconduttori in strati, alcuni spessi solo pochi atomi, per formare pozzi quantici. I pozzi quantici sono come minuscole "scatole" che confinano gli elettroni a determinati livelli di energia scelti dal progetto. Quando un elettrone passa tra diversi livelli di energia, emette fotoni. Un singolo elettrone può fare una cascata tra i tanti pozzi quantistici in un laser a cascata quantistica e innescare l'emissione di più fotoni terahertz, producendo così un potente raggio laser. Un altro vantaggio dei laser a cascata quantistica è che la frequenza dei fotoni emessi può essere modulata.

"Invece di essere limitato al band gap che la natura ti dà, possiamo cambiare la larghezza di questi pozzi quantici per scegliere il band gap effettivo [e cambiare la frequenza dei fotoni]. Questo è un concetto molto potente, " ha detto Williams.

Mentre i laser a cascata quantica sono sia potenti che sintonizzabili in frequenza, uno svantaggio significativo è stata la qualità degli anabbaglianti.

"Pensa a un puntatore laser, che ha un raggio molto bello, " disse Williams. "Il raggio va dove vuoi, e sembra un bel posto. Non stai sprecando la luce."

laser terahertz, d'altra parte, spesso hanno fasci molto divergenti, il che significa che il raggio di luce si diffonde e di conseguenza diventa meno potente. In alcuni casi, il raggio di un laser terahertz diverge così tanto che solo lo 0,1 percento di esso finisce dove era inizialmente previsto.

Un importante risultato del laboratorio di Williams è stato la creazione di un tipo di laser a cascata quantica terahertz che possiede sia un eccellente schema del raggio che un'elevata potenza.

"La nostra innovazione è stata quella di creare una superficie artificiale composta da tante piccole antenne laser [strutture metalliche che funzionano ciascuna come un amplificatore a cascata quantica]. L'effetto netto è uno specchio che riflette la luce terahertz mentre la amplifica e la focalizza allo stesso tempo. tempo, " ha detto Williams. "Riteniamo che questa capacità ci consentirà di creare laser con il controllo di quasi tutte le proprietà della luce:la sua lunghezza d'onda, ampiezza, fase, e polarizzazione".

Williams e il suo team stanno anche esplorando come i laser a cascata quantica possono essere progettati per funzionare a temperatura ambiente. Attualmente, gli scienziati devono raffreddare i loro laser fino a 77 Kelvin (-321°F), un passaggio che limita l'uso dei laser al di fuori di un laboratorio. Ora, Williams sta studiando la costruzione di quei laser usando punti quantici invece di pozzi quantici. Mentre i pozzi quantistici confinano il movimento degli elettroni in una sola dimensione, i punti quantici limitano il loro movimento in tutte e tre le dimensioni. Si prevede che il confinamento extra nei punti quantici riduca drasticamente la dispersione degli elettroni, che consentirebbe a questi laser di funzionare a temperatura ambiente.

"Attualmente stiamo lavorando con Diana Huffaker [professore di ingegneria elettrica all'UCLA], chi fa crescere punti quantici, " ha detto Williams. "[Il suo lavoro] ci permetterebbe di fare lo stesso tipo di ingegneria quantistica con i punti quantici che attualmente facciamo con i pozzi quantici".