Investigadores del MIT y la Universidad de Waterloo han desarrollado una versión portátil de alta potencia de un dispositivo llamado láser de cascada cuántica, que puede generar radiación de terahercios fuera de un laboratorio. El láser podría usarse potencialmente en aplicaciones como la localización de cáncer de piel y la detección de explosivos ocultos.
Hasta ahora, la generación de radiación de terahercios lo suficientemente potente como para realizar imágenes en tiempo real y mediciones espectrales rápidas requería temperaturas muy por debajo de 200 Kelvin o menos. Estas temperaturas solo podrían lograrse con equipos voluminosos que limitan el uso de la tecnología a un entorno de laboratorio. En un artículo publicado en Nature Photonics, el profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación del MIT Qing Hu y sus colegas informan que su láser de cascada cuántica de terahercios puede funcionar a temperaturas de hasta 250 K, lo que significa que solo se requiere una nevera portátil.
Los láseres de cascada cuántica de terahercios, diminutos dispositivos láser semiconductores integrados en chips, se inventaron por primera vez en 2002, pero adaptarlos para operar muy por encima de 200 K resultó ser tan difícil que muchas personas en el campo especularon que había una razón física fundamental que lo impedía, dice Hu.
"Con una temperatura de funcionamiento alta, finalmente podemos poner esto en un sistema portátil compacto y sacar esta tecnología innovadora del laboratorio", dice Hu. "Esto permitirá la generación de imágenes de terahercios portátiles y los sistemas espectrales que tendrán un impacto inmediato en una amplia gama de aplicaciones en medicina, bioquímica, seguridad y otras áreas".
Hu comenzó a investigar las frecuencias de terahercios, una banda del espectro electromagnético entre las microondas y el rango infrarrojo, en 1991.
"Me tomó 11 años y tres generaciones de estudiantes hacer nuestro propio [láser de cascada cuántica de terahercios] en 2002", dice. Desde entonces, las temperaturas máximas de funcionamiento que limitaban el uso de radiación de terahercios permanecieron muy por debajo de la temperatura ambiente. El máximo de 250 K informado en este documento representa un salto considerable con respecto al máximo anterior de 210 K, que se estableció en 2019, superando un récord anterior de 2012 de 200 K que había permanecido intacto durante siete años.
Los láseres, que miden solo unos pocos milímetros de longitud y son más delgados que un cabello humano, son estructuras de pozos cuánticos con pozos y barreras meticulosamente diseñados a medida. Dentro de la estructura, los electrones descienden en cascada por una especie de escalera, emitiendo una partícula de luz, o fotón, en cada escalón.
Una innovación importante descrita en el artículo de Nature Photonics fue la duplicación de la altura de las barreras dentro del láser para evitar la fuga de electrones, un fenómeno que tendía a aumentar a altas temperaturas.
"Entendimos que la fuga de electrones por encima de la barrera era el asesino", lo que hacía que el sistema se descompusiera si no se enfriaba con un criostato, dice Hu. "Entonces, pusimos una barrera más alta para evitar las fugas, y esto resultó ser clave para el avance".
Anteriormente, se exploraron esporádicamente barreras más altas, pero arrojaron resultados inferiores, dice Hu. La opinión predominante fue que el aumento de la dispersión de electrones asociada con las barreras más altas era perjudicial y, por lo tanto, deberían evitarse las barreras más altas.
El equipo de investigación desarrolló los parámetros correctos para la estructura de la banda para barreras altas y un esquema de optimización conceptualmente novedoso para el diseño.
Esta innovación se combinó con un "esquema de fonón directo" que mantiene el láser en funcionamiento a través de una configuración en la que los niveles inferiores de láser de cada módulo, o escalones de la escalera de la estructura, se despoblan rápidamente de electrones a través del fonón (o una unidad de energía vibratoria). dispersándose en un estado fundamental, que luego sirve como inyector de electrones en el nivel superior del siguiente paso, y el proceso se repite. Tal disposición de los electrones en el sistema es esencial para que ocurra el láser, como lo imaginó por primera vez Einstein en 1916.
"Se trata de estructuras muy complejas con cerca de 15.000 interfaces entre pozos cuánticos y barreras, la mitad de las cuales no tienen ni siquiera siete capas atómicas de espesor", dice el coautor Zbig Wasilewski, profesor de ingeniería eléctrica e informática y cátedra de nanotecnología de la Universidad de Waterloo. "La calidad y reproducibilidad de estas interfaces son de importancia crítica para el rendimiento de los láseres de terahercios. Se tomó lo mejor en capacidades de crecimiento epitaxial de haz molecular, la contribución clave de nuestro equipo de investigación fue clave, junto con la experiencia de nuestros colaboradores del MIT en el modelado y fabricación de dispositivos cuánticos, para lograr un progreso tan importante en este desafiante sector de la fotónica THz".
En un entorno médico, el nuevo sistema portátil, que incluye una cámara compacta y un detector y puede funcionar en cualquier lugar con un tomacorriente, podría proporcionar imágenes en tiempo real durante exámenes regulares de cáncer de piel o incluso durante procedimientos quirúrgicos para extirpar tejidos de cáncer de piel. Las células cancerosas aparecen "de manera muy dramática en terahercios" porque tienen concentraciones de agua y sangre más altas que las células normales, dice Hu.
La tecnología también podría aplicarse en muchas industrias donde la detección de objetos extraños dentro de un producto es necesaria para garantizar su seguridad y calidad.
La detección de gases, drogas y explosivos podría volverse especialmente sofisticada con el uso de radiación de terahercios. Por ejemplo, compuestos como el hidróxido, un agente de destrucción del ozono, tienen una "huella digital" espectral especial dentro del rango de frecuencia de terahercios, al igual que las drogas, incluidas la metanfetamina y la heroína, y los explosivos, incluido el TNT.
"No solo podemos ver objetos a través de materiales ópticamente opacos, sino que también podemos identificar las sustancias", dice Hu.
Hu dice que ve "un camino claro" hacia el objetivo de poder generar potentes terahercios sin necesidad de un enfriador.
"Usar el esquema de teléfono directo y barreras más altas es el camino a seguir", dice. "Finalmente puedo ver la luz al final del túnel cuando alcancemos la temperatura ambiente".
Más información: High-power portable terahertz laser systems, Nature Photonics (2020). DOI: 10.1038/s41566-020-00707-5
Nota original: MIT