El Láser De Terahercios Puede Habilitar La “visión De Rayos T”: Imágenes De Alta Resolución Y Mucho Más Seguras Que Los Rayos X

Láser de terahercios

Un nuevo láser del tamaño de una caja de zapatos produce ondas de terahercios (garabatos verdes) mediante el uso de un láser infrarrojo especial (rojo) para rotar moléculas de óxido nitroso, o gas de la risa, empaquetadas en una cavidad del tamaño de un bolígrafo (gris). Crédito: Chad Scales, Comando de Futuros del Ejército de EE. UU.

Los investigadores generan un láser de terahercios con gas de la risa: el dispositivo puede permitir la “visión de rayos T” y una mejor comunicación inalámbrica.

Dentro del término medio electromagnético entre las microondas y la luz visible se encuentra la radiación de terahercios y la promesa de la “visión de rayos T”.

Las ondas de terahercios tienen frecuencias más altas que las microondas y más bajas que la luz infrarroja y visible. Donde la luz óptica está bloqueada por la mayoría de los materiales, las ondas de terahercios pueden atravesarlas directamente, de manera similar a las microondas. Si se convirtieran en láseres, las ondas de terahercios podrían permitir la “visión de rayos T”, con la capacidad de ver a través de la ropa, las cubiertas de libros y otros materiales delgados. Dicha tecnología podría producir imágenes nítidas y de mayor resolución que las microondas y ser mucho más seguras que los rayos X.

La razón por la que no vemos máquinas de rayos T en, por ejemplo, las líneas de seguridad de los aeropuertos y las instalaciones de imágenes médicas es que la producción de radiación de terahercios requiere configuraciones o dispositivos muy grandes y voluminosos, muchos de ellos operando a temperaturas ultra frías, que producen radiación de terahercios en una sola capa. frecuencia: no es muy útil, dado que se requiere una amplia gama de frecuencias para penetrar varios materiales.

Ahora los investigadores de MIT , La Universidad de Harvard y el Ejército de los Estados Unidos han construido un dispositivo compacto, del tamaño de una caja de zapatos, que funciona a temperatura ambiente para producir un láser de terahercios cuya frecuencia pueden sintonizar en un amplio rango. El dispositivo está construido a partir de piezas comerciales listas para usar y está diseñado para generar ondas de terahercios al hacer girar la energía de las moléculas en Óxido nitroso o, como se le conoce más comúnmente, gas hilarante.

Steven Johnson, profesor de matemáticas en el MIT, dice que además de la visión de rayos T, las ondas de terahercios se pueden utilizar como una forma de comunicación inalámbrica, transportando información en un ancho de banda mayor que el radar, por ejemplo, y haciéndolo a través de distancias que los científicos ahora puede sintonizar usando el dispositivo del grupo.

“Al sintonizar la frecuencia de terahercios, puede elegir qué tan lejos pueden viajar las ondas a través del aire antes de ser absorbidas, de metros a kilómetros, lo que brinda un control preciso sobre quién puede ‘escuchar’ sus comunicaciones en terahercios o ‘ver’ su radar de terahercios”. Johnson dice. “Al igual que cambiar el dial de su radio, la capacidad de sintonizar fácilmente una fuente de terahercios es crucial para abrir nuevas aplicaciones en comunicaciones inalámbricas, radares y espectroscopia”.

Johnson y sus colegas han publicado sus resultados hoy (15 de noviembre de 2019) en la revista Science . Los coautores incluyen al postdoctorado del MIT Fan Wang, junto con Paul Chevalier, Arman Armizhan, Marco Piccardo y Federico Capasso de la Universidad de Harvard, y Henry Everitt del Centro de Misiles y Aviación del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU.

Sala de respiración molecular

Desde la década de 1970, los científicos han experimentado con la generación de ondas de terahercios utilizando láseres de gas molecular, configuraciones en las que se dispara un láser infrarrojo de alta potencia en un tubo grande lleno de gas (generalmente fluoruro de metilo) cuyas moléculas reaccionan vibrando y finalmente girando. Las moléculas en rotación pueden saltar de un nivel de energía al siguiente, cuya diferencia se emite como una especie de energía sobrante, en forma de fotón en el rango de terahercios. A medida que se acumulan más fotones en la cavidad, producen un láser de terahercios.

La mejora del diseño de estos láseres de gas se ha visto obstaculizada por modelos teóricos poco fiables, dicen los investigadores. En pequeñas cavidades a altas presiones de gas, los modelos predijeron que, más allá de cierta presión, las moléculas estarían demasiado “apretadas” para girar y emitir ondas de terahercios. En parte por esta razón, los láseres de gas de terahercios solían utilizar cavidades de metros de largo y láseres infrarrojos grandes.  

Sin embargo, en la década de 1980, Everitt descubrió que podía producir ondas de terahercios en su laboratorio utilizando un láser de gas que era mucho más pequeño que los dispositivos tradicionales, a presiones mucho más altas de lo que los modelos decían que era posible. Esta discrepancia nunca se explicó por completo, y el trabajo con láseres de gas de terahercios quedó en el camino a favor de otros enfoques.

Hace unos años, Everitt le mencionó este misterio teórico a Johnson cuando los dos colaboraban en otros trabajos como parte del Instituto de Nanotecnologías de Soldados del MIT. Junto con Everitt, Johnson y Wang aceptaron el desafío y, finalmente, formularon una nueva teoría matemática para describir el comportamiento de un gas en una cavidad láser de gas molecular. La teoría también explicó con éxito cómo se podían emitir ondas de terahercios, incluso desde cavidades muy pequeñas de alta presión.

Johnson dice que si bien las moléculas de gas pueden vibrar a múltiples frecuencias y velocidades de rotación en respuesta a una bomba de infrarrojos, las teorías anteriores descartaban muchos de estos estados vibratorios y asumían, en cambio, que un puñado de vibraciones era lo que finalmente importaba para producir una onda de terahercios. Si una cavidad fuera demasiado pequeña, las teorías anteriores sugirieron que las moléculas que vibran en respuesta a un láser infrarrojo entrante colisionarían más a menudo entre sí, liberando su energía en lugar de acumularla más para girar y producir terahercios.

En cambio, el nuevo modelo rastreó miles de estados vibratorios y rotacionales relevantes entre millones de grupos de moléculas dentro de una sola cavidad, utilizando nuevos trucos computacionales para hacer que un problema tan grande sea manejable en una computadora portátil. Luego analizó cómo esas moléculas reaccionarían a la luz infrarroja entrante, dependiendo de su posición y dirección dentro de la cavidad.

“Descubrimos que cuando incluyes todos estos otros estados vibratorios que la gente ha estado desechando, te dan un amortiguador”, dice Johnson. “En modelos más simples, las moléculas están rotando, pero cuando chocan contra otras moléculas lo pierden todo. Una vez que incluya todos estos otros estados, eso ya no sucederá. Estas colisiones pueden transferir energía a otros estados vibratorios y, en cierto modo, te dan más espacio para respirar para seguir girando y hacer ondas de terahercios “.

Riendo, marcado

Una vez que el equipo descubrió que su nuevo modelo predijo con precisión lo que Everitt observó hace décadas, colaboraron con el grupo de Capasso en Harvard para diseñar un nuevo tipo de generador compacto de terahercios combinando el modelo con nuevos gases y un nuevo tipo de láser infrarrojo.

Para la fuente de infrarrojos, los investigadores utilizaron un láser de cascada cuántica, o QCL, un tipo de láser más reciente que es compacto y también sintonizable.

“Puede girar un dial y cambia la frecuencia del láser de entrada, y la esperanza era que pudiéramos usar eso para cambiar la frecuencia de salida de los terahercios”, dice Johnson.

Los investigadores se asociaron con Capasso, un pionero en el desarrollo de QCL, quien proporcionó un láser que producía un rango de potencia que su teoría predijo que funcionaría con una cavidad del tamaño de una pluma (aproximadamente 1 / 1.000 del tamaño de una cavidad convencional ). Luego, los investigadores buscaron un gas para girar.

El equipo buscó en bibliotecas de gases para identificar aquellos que se sabía que rotaban de cierta manera en respuesta a la luz infrarroja, y finalmente aterrizaban en óxido nitroso, o gas hilarante, como un candidato ideal y accesible para su experimento.

Pidieron óxido nitroso de laboratorio, que bombearon a una cavidad del tamaño de una pluma. Cuando enviaron luz infrarroja desde el QCL a la cavidad, descubrieron que podían producir un láser de terahercios. A medida que sintonizaban el QCL, la frecuencia de las ondas de terahercios también cambiaba en un amplio rango.

“Estas demostraciones confirman el concepto universal de una fuente de láser molecular de terahercios que se puede sintonizar ampliamente en todos sus estados de rotación cuando es bombeada por un QCL sintonizable continuamente”, dice Wang.

Desde estos experimentos iniciales, los investigadores han ampliado su modelo matemático para incluir una variedad de otras moléculas de gas, como el monóxido de carbono y el amoníaco, proporcionando a los científicos un menú de diferentes opciones de generación de terahercios con diferentes frecuencias y rangos de sintonización, emparejados con un QCL emparejado a cada gas. Las herramientas teóricas del grupo también permiten a los científicos adaptar el diseño de la cavidad a diferentes aplicaciones. Ahora están avanzando hacia haces más enfocados y potencias más altas, con el desarrollo comercial en el horizonte.

Johnson dice que los científicos pueden consultar el modelo matemático del grupo para diseñar láseres de terahercios nuevos, compactos y sintonizables, utilizando otros gases y parámetros experimentales.

“Estos láseres de gas fueron vistos durante mucho tiempo como tecnología antigua, y la gente asumió que eran cosas enormes, de baja potencia y no sintonizables, por lo que buscaron otras fuentes de terahercios”, dice Johnson. “Ahora decimos que pueden ser pequeños, ajustables y mucho más eficientes. Puede colocarlo en su mochila o en su vehículo para la comunicación inalámbrica o imágenes de alta resolución. Porque no quieres un ciclotrón en tu coche “.

Para obtener más información sobre este avance, lea El láser de Terahercios allana el camino para una mejor detección, imágenes y comunicaciones.

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Referencia: “Láseres de gas de terahercios compactos ampliamente ajustables” por Paul Chevalier, Arman Armizhan, Fan Wang, Marco Piccardo, Steven G. Johnson, Federico Capasso y Henry O. Everitt, 15 de noviembre de 2019, Science .
DOI: 10.1126 / science.aay8683

Esta investigación fue apoyada en parte por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencias.

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