I ricercatori del MIT e dell'Università di Waterloo hanno sviluppato un sistema ad alta potenza, versione portatile di un dispositivo chiamato laser a cascata quantistica, che può generare radiazioni terahertz al di fuori di un ambiente di laboratorio. Il laser potrebbe essere potenzialmente utilizzato in applicazioni come l'individuazione del cancro della pelle e il rilevamento di esplosivi nascosti.

Fino ad ora, la generazione di radiazioni terahertz sufficientemente potenti da eseguire immagini in tempo reale e misurazioni spettrali veloci richiedevano temperature molto inferiori a 200 Kelvin (-100 gradi Fahrenheit) o ​​inferiori. Queste temperature potevano essere raggiunte solo con apparecchiature ingombranti che limitavano l'uso della tecnologia a un ambiente di laboratorio. In un articolo pubblicato su Fotonica della natura , Il famoso professore di ingegneria elettrica e informatica del MIT Qing Hu e i suoi colleghi riferiscono che il loro laser a cascata quantica terahertz può funzionare a temperature fino a 250 K (-10 gradi Fahrenheit), il che significa che è necessario solo un dispositivo di raffreddamento portatile compatto.

laser a cascata quantica Terahertz, minuscoli dispositivi laser a semiconduttore integrati nel chip, sono stati inventati per la prima volta nel 2002, ma adattarli per operare ben al di sopra dei 200 K si è rivelato così difficile che molte persone del settore hanno ipotizzato che ci fosse una ragione fisica fondamentale che lo impediva, Hu dice.

"Con una temperatura di esercizio elevata, possiamo finalmente inserire questo in un sistema portatile compatto e portare questa tecnologia rivoluzionaria fuori dal laboratorio, " Hu dice. "Ciò consentirà l'imaging terahertz portatile e sistemi spettrali che avranno un impatto immediato su applicazioni ad ampio raggio in medicina, biochimica, sicurezza, e altri settori".

Hu ha iniziato la ricerca sulle frequenze terahertz, una banda dello spettro elettromagnetico tra le microonde e la gamma infrarossa, nel 1991.

"Mi ci sono voluti 11 anni e tre generazioni di studenti per creare il nostro [laser a cascata quantica terahertz] nel 2002, "dice. Da allora, le temperature massime di esercizio che limitavano l'uso della radiazione terahertz sono rimaste ben al di sotto della temperatura ambiente. Il massimo di 250 K riportato in questo lavoro rappresenta un notevole salto rispetto al precedente massimo di 210 K, che è stato istituito nel 2019, battendo un precedente record del 2012 di 200 K che era rimasto intatto per sette anni.

I laser, che misurano solo pochi millimetri di lunghezza e sono più sottili di un capello umano, sono strutture di pozzi quantici con pozzi e barriere meticolosamente progettati su misura. All'interno della struttura, gli elettroni "cadono" giù per una specie di scala, emettendo una particella di luce, o fotone, ad ogni passo.

Un'importante innovazione descritta nel Fotonica della natura carta era il raddoppio dell'altezza delle barriere all'interno del laser per evitare perdite di elettroni, un fenomeno che tendeva ad aumentare alle alte temperature.

"Abbiamo capito che la perdita di elettroni oltre la barriera era l'assassino, " causando la rottura del sistema se non raffreddato con un criostato, Hu dice. "Così, mettiamo una barriera più alta per prevenire la perdita, e questo si è rivelato essere la chiave per la svolta".

In precedenza, barriere più alte sono state esplorate sporadicamente, ma hanno dato risultati inferiori, Hu dice. L'opinione prevalente era che l'aumento della diffusione degli elettroni associato alle barriere più alte fosse dannoso, e quindi dovrebbero essere evitate barriere più alte.

Il team di ricerca ha sviluppato i parametri corretti per la struttura a fascia per le barriere alte e uno schema di ottimizzazione concettualmente nuovo per la progettazione.

Questa innovazione è stata abbinata a uno "schema fononico diretto" che mantiene il laser operativo attraverso una configurazione in cui livelli di laser più bassi di ciascun modulo, o gradini della scala della struttura, sono rapidamente spopolati di elettroni attraverso fononi (o un'unità di energia vibrazionale) che si diffondono in uno stato fondamentale, che poi funge da iniettore di elettroni nel livello superiore del gradino successivo, e il processo si ripete. Una tale disposizione degli elettroni nel sistema è essenziale per il verificarsi del laser, come immaginato per la prima volta da Einstein nel 1916.

"Si tratta di strutture molto complesse con quasi 15, 000 interfacce tra pozzi quantistici e barriere, la metà dei quali non ha nemmeno sette strati atomici spessi, " dice il co-autore Zbig Wasilewski, professore di ingegneria elettrica e informatica e cattedra di nanotecnologia dell'Università di Waterloo. "La qualità e la riproducibilità di queste interfacce sono di fondamentale importanza per le prestazioni dei laser terahertz. Ha preso il meglio delle capacità di crescita epitassiale del fascio molecolare - il contributo chiave del nostro team di ricerca - insieme all'esperienza dei nostri collaboratori del MIT nella modellazione e fabbricazione di dispositivi quantistici, per fare progressi così importanti in questo impegnativo settore della fotonica THz."

In un ambiente medico, il nuovo sistema portatile, che include una fotocamera compatta e un rilevatore e può funzionare ovunque con una presa elettrica, potrebbe fornire immagini in tempo reale durante gli screening regolari del cancro della pelle o anche durante le procedure chirurgiche per asportare i tessuti del cancro della pelle. Le cellule tumorali si presentano "molto drammaticamente in terahertz" perché hanno concentrazioni di acqua e sangue più elevate rispetto alle cellule normali, Hu dice.

La tecnologia potrebbe essere applicata anche in molti settori in cui il rilevamento di corpi estranei all'interno di un prodotto è necessario per garantirne la sicurezza e la qualità.

Rilevazione di gas, droghe, e gli esplosivi potrebbero diventare particolarmente sofisticati con l'uso di radiazioni terahertz. Per esempio, composti come idrossido, un agente di distruzione dell'ozono, avere una speciale "impronta digitale" spettrale all'interno della gamma di frequenze terahertz, così come le droghe tra cui la metanfetamina e l'eroina, ed esplosivi compreso il tritolo.

"Non solo possiamo vedere gli oggetti attraverso materiali otticamente opachi, ma possiamo anche identificare le sostanze, " dice Hu.

Hu dice di vedere "un percorso chiaro" verso l'obiettivo di essere in grado di generare potenti terahertz senza bisogno di un dispositivo di raffreddamento.

"Usare lo schema dei fononi diretti e barriere più alte è il modo per andare avanti, "dice. "Finalmente posso vedere la luce in fondo al tunnel quando raggiungeremo la temperatura ambiente."