La radiazione terahertz, la banda dello spettro elettromagnetico tra le microonde e la luce visibile, ha applicazioni promettenti nell'imaging medico e industriale e nel rilevamento di sostanze chimiche, tra gli altri usi.

Ma molte di queste applicazioni dipendono da piccole, sorgenti a basso consumo di raggi terahertz, e il metodo standard per produrli comporta un ingombrante, bisognoso di energia, dispositivo da tavolo.

Da più di 20 anni, Qing Hu, un illustre professore di ingegneria elettrica e informatica al MIT, e il suo gruppo hanno lavorato su sorgenti di radiazioni terahertz che possono essere incise su microchip. Nell'ultimo numero di Fotonica della natura , i membri del gruppo di Hu e i colleghi dei Sandia National Laboratories e dell'Università di Toronto descrivono un nuovo design che aumenta dell'80% la potenza dei laser terahertz montati su chip.

Come riportato dalla fonte terahertz montata su chip con le migliori prestazioni, il dispositivo dei ricercatori è stato selezionato dalla NASA per fornire emissioni di terahertz per la sua missione GUSTO (Galactic/Extragalactic ULDB Spectroscopic Terahertz Observatory). La missione ha lo scopo di determinare la composizione del mezzo interstellare, o la materia che riempie lo spazio tra le stelle, e utilizza raggi terahertz perché sono particolarmente adatti alla misurazione spettroscopica delle concentrazioni di ossigeno. Poiché la missione schiererà palloni carichi di strumenti nell'alta atmosfera terrestre, l'emettitore terahertz deve essere leggero.

Il progetto dei ricercatori è una nuova variante di un dispositivo chiamato laser a cascata quantistica con feedback distribuito. "Abbiamo iniziato con questo perché era il migliore in circolazione, "dice Ali Khalatpour, uno studente laureato in ingegneria elettrica e informatica e primo autore della carta. "Ha le prestazioni ottimali per i terahertz."

Fino ad ora, però, il dispositivo ha avuto un grosso inconveniente, cioè che emette naturalmente radiazioni in due direzioni opposte. Poiché la maggior parte delle applicazioni della radiazione terahertz richiede luce diretta, ciò significa che il dispositivo spreca metà della sua produzione di energia. Khalatpour e i suoi colleghi hanno trovato un modo per reindirizzare l'80% della luce che di solito esce dal retro del laser, in modo che si sposti nella direzione desiderata.

Come spiega Khalatpour, il progetto dei ricercatori non è legato a nessun particolare "mezzo di guadagno, " o combinazione di materiali nel corpo del laser.

"Se troviamo un mezzo di guadagno migliore, possiamo raddoppiare la sua potenza di uscita, pure, " Afferma Khalatpour. "Abbiamo aumentato la potenza senza progettare un nuovo mezzo attivo, che è piuttosto difficile. Generalmente, anche un aumento del 10% richiede molto lavoro in ogni aspetto del design."

Onde grandi

Infatti, emissione bidirezionale, o emissione di luce in direzioni opposte, è una caratteristica comune a molti progetti laser. Con i laser convenzionali, però, è facilmente rimediabile mettendo uno specchio su un'estremità del laser.

Ma la lunghezza d'onda della radiazione terahertz è così lunga, e i nuovi laser dei ricercatori, noti come laser a filo fotonico, sono così piccoli, che gran parte dell'onda elettromagnetica che viaggia per la lunghezza del laser si trova effettivamente al di fuori del corpo del laser. Uno specchio a un'estremità del laser rifletterebbe una piccola frazione dell'energia totale dell'onda.

La soluzione di Khalatpour e dei suoi colleghi a questo problema sfrutta una particolarità del design del minuscolo laser. Un laser a cascata quantistica è costituito da una lunga cresta rettangolare chiamata guida d'onda. Nella guida d'onda, i materiali sono disposti in modo tale che l'applicazione di un campo elettrico induca un'onda elettromagnetica lungo la lunghezza della guida d'onda.

questa onda, però, è quella che viene chiamata "onda stazionaria". Se un'onda elettromagnetica può essere pensata come un normale scarabocchio su e giù, quindi l'onda si riflette avanti e indietro nella guida d'onda in modo tale che le creste e gli avvallamenti delle riflessioni coincidano perfettamente con quelle delle onde che si muovono nella direzione opposta. Un'onda stazionaria è essenzialmente inerte e non si irradierà fuori dalla guida d'onda.

Quindi il gruppo di Hu taglia delle fenditure regolarmente distanziate nella guida d'onda, che consentono ai raggi terahertz di irradiarsi. "Immagina di avere una pipa, e fai un buco, e l'acqua esce, " dice Khalatpour. Le fenditure sono distanziate in modo che le onde emesse si rinforzino a vicenda - le loro creste coincidono - solo lungo l'asse della guida d'onda. Ad angoli più obliqui dalla guida d'onda, si annullano a vicenda.

Rompendo la simmetria

Nel nuovo lavoro, Khalatpour e i suoi coautori:Hu, Giovanni Reno di Sandia, e Nazir Kherani, un professore di scienze dei materiali all'Università di Toronto:metti semplicemente dei riflettori dietro ciascuno dei fori nella guida d'onda, un passaggio che può essere integrato senza soluzione di continuità nel processo di fabbricazione che produce la guida d'onda stessa.

I riflettori sono più larghi della guida d'onda, e sono distanziati in modo che la radiazione che riflettono rafforzi l'onda terahertz in una direzione ma la annulli nell'altra. Parte dell'onda terahertz che si trova al di fuori della guida d'onda arriva ancora intorno ai riflettori, ma l'80% dell'energia che sarebbe uscita dalla guida d'onda nella direzione sbagliata viene ora reindirizzata nell'altra direzione.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.