All'interno della via di mezzo elettromagnetica tra le microonde e la luce visibile si trova la radiazione terahertz, e la promessa della "visione T-ray".

Le onde terahertz hanno frequenze superiori alle microonde e inferiori agli infrarossi e alla luce visibile. Dove la luce ottica è bloccata dalla maggior parte dei materiali, le onde terahertz possono passare dritte, simile alle microonde. Se fossero modellati in laser, onde terahertz potrebbero consentire la "visione a raggi T, "con la capacità di vedere attraverso i vestiti, copertine di libri, e altri materiali sottili. Tale tecnologia potrebbe produrre croccanti, immagini a risoluzione più elevata rispetto alle microonde, ed essere molto più sicuro dei raggi X.

Il motivo per cui non vediamo macchine T-ray in, ad esempio, linee di sicurezza aeroportuali e strutture di imaging medico è che la produzione di radiazioni terahertz richiede molto grandi, configurazioni ingombranti o dispositivi che producono radiazioni terahertz a una singola frequenza, non molto utili, dato che è necessaria una vasta gamma di frequenze per penetrare vari materiali.

Ora i ricercatori del MIT, Università di Harvard, e l'esercito degli Stati Uniti hanno costruito un dispositivo compatto, le dimensioni di una scatola da scarpe, che produce un laser terahertz la cui frequenza possono sintonizzarsi su un'ampia gamma. Il dispositivo è costruito da commerciale, parti standard ed è progettato per generare onde terahertz aumentando l'energia delle molecole nel protossido di azoto, o, come è più comunemente noto, gas esilarante.

Steven Johnson, professore di matematica al MIT, dice che oltre alla visione a raggi T, le onde terahertz possono essere utilizzate come forma di comunicazione wireless, trasportare informazioni a una larghezza di banda maggiore rispetto al radar, ad esempio, e farlo su distanze che gli scienziati possono ora sintonizzare utilizzando il dispositivo del gruppo.

"Sintonizzando la frequenza terahertz, puoi scegliere quanto lontano possono viaggiare le onde nell'aria prima di essere assorbite, da metri a chilometri, che fornisce un controllo preciso su chi può "sentire" le tue comunicazioni terahertz o "vedere" il tuo radar terahertz, " dice Johnson. "Proprio come cambiare il quadrante della radio, la capacità di sintonizzare facilmente una sorgente terahertz è fondamentale per aprire nuove applicazioni nelle comunicazioni wireless, radar, e spettroscopia."

Johnson e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Scienza . I coautori includono il postdoc del MIT Fan Wang, insieme a Paul Chevalier, Arman Armizhan, Marco Piccardo, e Federico Capasso dell'Università di Harvard, e Henry Everitt dell'U.S. Army Combat Capabilities Development Command Aviation and Missile Center.

Respirazione molecolare

Dagli anni '70, gli scienziati hanno sperimentato la generazione di onde terahertz utilizzando laser a gas molecolare, configurazioni in cui un laser a infrarossi ad alta potenza viene sparato in un grande tubo riempito di gas (tipicamente fluoruro di metile) le cui molecole reagiscono vibrando e infine ruotando. Le molecole rotanti possono saltare da un livello energetico all'altro, la cui differenza viene emessa come una sorta di energia residua, sotto forma di fotone nell'intervallo dei terahertz. Man mano che si accumulano più fotoni nella cavità, producono un laser terahertz.

Il miglioramento della progettazione di questi laser a gas è stato ostacolato da modelli teorici inaffidabili, dicono i ricercatori. In piccole cavità ad alte pressioni del gas, i modelli prevedevano che, oltre una certa pressione, le molecole sarebbero troppo "ristrette" per ruotare ed emettere onde terahertz. In parte per questo motivo, I laser a gas terahertz in genere utilizzavano cavità lunghe un metro e laser a infrarossi di grandi dimensioni.

Però, negli anni '80, Everitt ha scoperto di essere in grado di produrre onde terahertz nel suo laboratorio utilizzando un laser a gas molto più piccolo dei dispositivi tradizionali, a pressioni di gran lunga superiori ai modelli detti era possibile. Questa discrepanza non è mai stata completamente spiegata, e il lavoro sui laser a gas terahertz è caduto nel dimenticatoio a favore di altri approcci.

Alcuni anni fa, Everitt ha menzionato questo mistero teorico a Johnson quando i due stavano collaborando ad altri lavori come parte dell'Institute for Soldier Nanotechnologies del MIT. Insieme a Everitt, Johnson e Wang hanno raccolto la sfida, e infine ha formulato una nuova teoria matematica per descrivere il comportamento di un gas in una cavità laser a gas molecolare. La teoria ha anche spiegato con successo come potrebbero essere emesse onde terahertz, anche da piccolissimo, cavità ad alta pressione.

Johnson afferma che mentre le molecole di gas possono vibrare a più frequenze e velocità di rotazione in risposta a una pompa a infrarossi, le teorie precedenti scontavano molti di questi stati vibrazionali e presumevano invece che una manciata di vibrazioni fosse ciò che alla fine contava nella produzione di un'onda terahertz. Se una cavità fosse troppo piccola, teorie precedenti suggerivano che le molecole che vibravano in risposta a un laser a infrarossi in arrivo si sarebbero scontrate più spesso tra loro, rilasciando la loro energia piuttosto che accumularla ulteriormente per ruotare e produrre terahertz.

Anziché, il nuovo modello ha tracciato migliaia di stati vibrazionali e rotazionali rilevanti tra milioni di gruppi di molecole all'interno di una singola cavità, utilizzando nuovi trucchi computazionali per rendere trattabile un problema così grande su un computer portatile. Ha quindi analizzato come quelle molecole avrebbero reagito alla luce infrarossa in arrivo, a seconda della loro posizione e direzione all'interno della cavità.

"Abbiamo scoperto che quando si includono tutti questi altri stati vibrazionali che le persone hanno buttato fuori, ti danno un tampone, " dice Johnson. "Nei modelli più semplici, le molecole stanno ruotando, ma quando colpiscono altre molecole perdono tutto. Una volta inclusi tutti questi altri stati, quello non succede più. Queste collisioni possono trasferire energia ad altri stati vibrazionali, e in qualche modo ti danno più respiro per continuare a ruotare e continuare a produrre onde terahertz".

Ridendo, composto

Una volta che il team ha scoperto che il loro nuovo modello prevedeva con precisione ciò che Everitt aveva osservato decenni fa, hanno collaborato con il gruppo di Capasso ad Harvard per progettare un nuovo tipo di generatore compatto di terahertz combinando il modello con nuovi gas e un nuovo tipo di laser a infrarossi.

Per la sorgente a infrarossi, i ricercatori hanno utilizzato un laser a cascata quantica, o QCL, un tipo più recente di laser compatto e anche sintonizzabile.

"Puoi girare una manopola, e cambia la frequenza del laser in ingresso, e la speranza era che potessimo usarlo per cambiare la frequenza dei terahertz in uscita, " dice Johnson.

I ricercatori hanno collaborato con Capasso, un pioniere nello sviluppo di QCL, che ha fornito un laser che produceva una gamma di potenza che la loro teoria prevedeva avrebbe funzionato con una cavità delle dimensioni di una penna (circa 1/1, 000 delle dimensioni di una cavità convenzionale). I ricercatori hanno quindi cercato un gas per girare.

Il team ha cercato nelle librerie di gas per identificare quelli che erano noti per ruotare in un certo modo in risposta alla luce infrarossa, alla fine atterrando sul protossido di azoto, o gas esilarante, come un candidato ideale e accessibile per il loro esperimento.

Hanno ordinato protossido di azoto da laboratorio, che hanno pompato in una cavità delle dimensioni di una penna. Quando hanno inviato la luce infrarossa dal QCL nella cavità, hanno scoperto che potevano produrre un laser terahertz. Mentre sintonizzavano il QCL, anche la frequenza delle onde terahertz è cambiata, attraverso una vasta gamma.

"Queste dimostrazioni confermano il concetto universale di una sorgente laser molecolare terahertz che può essere ampiamente sintonizzabile attraverso i suoi interi stati rotazionali quando pompata da un QCL sintonizzabile in modo continuo, " dice Wang.

Da questi primi esperimenti, i ricercatori hanno esteso il loro modello matematico per includere una varietà di altre molecole di gas, come monossido di carbonio e ammoniaca, fornendo agli scienziati un menu di diverse opzioni di generazione di terahertz con diverse frequenze e intervalli di sintonizzazione, abbinato a un QCL abbinato a ciascun gas. Gli strumenti teorici del gruppo consentono inoltre agli scienziati di adattare il design della cavità a diverse applicazioni. Ora stanno spingendo verso raggi più focalizzati e poteri più elevati, con sviluppo commerciale all'orizzonte.

Johnson afferma che gli scienziati possono fare riferimento al modello matematico del gruppo per progettare nuovi, laser terahertz compatti e sintonizzabili, utilizzando altri gas e parametri sperimentali.

"Questi laser a gas sono stati a lungo visti come una vecchia tecnologia, e la gente pensava che fossero enormi, a bassa potenza, cose non sintonizzabili, quindi hanno cercato altre fonti terahertz, " Johnson dice. "Ora stiamo dicendo che possono essere piccoli, sintonizzabile, e molto più efficiente. Potresti metterlo nel tuo zaino, o nel tuo veicolo per la comunicazione wireless o l'imaging ad alta risoluzione. Perché non vuoi un ciclotrone nella tua macchina."