Pesquisadores do MIT e da Universidade de Waterloo desenvolveram uma versão portátil de alta potência de um dispositivo chamado laser de cascata quântica, que pode gerar radiação terahertz fora de um ambiente de laboratório. O laser pode ser usado em aplicações como localização de câncer de pele e detecção de explosivos ocultos.
Até agora, a geração de radiação terahertz poderosa o suficiente para realizar imagens em tempo real e medições espectrais rápidas exigia temperaturas bem abaixo de -70°C ou menos. Essas temperaturas só podiam ser alcançadas com equipamentos volumosos que limitavam o uso da tecnologia a um ambiente de laboratório. Em um artigo publicado na Nature Photonics, o professor de Engenharia Elétrica e Ciências da Computação do MIT Qing Hu e seus colegas relatam que seu laser quântico terahertz em cascata pode funcionar a temperaturas de até -23°C, o que significa que apenas um compacto refrigerador portátil é necessário.
Lasers em cascata quântica terahertz, pequenos dispositivos a laser semicondutores embutidos em chip, foram inventados em 2002, mas adaptá-los para operar muito acima de -70°C provou ser tão difícil que muitas pessoas no campo especularam que havia uma razão física fundamental para impedi-lo. Diz Hu.
“Com uma alta temperatura operacional, podemos finalmente colocar isso em um sistema portátil compacto e levar essa tecnologia inovadora para fora do laboratório”, disse Hu. “Isso permitirá imagens portáteis de terahertz e sistemas espectrais que terão um impacto imediato em uma ampla gama de aplicações em medicina, bioquímica, segurança e outras áreas.”
Hu começou a pesquisar as frequências terahertz – uma banda do espectro eletromagnético entre as microondas e a faixa do infravermelho – em 1991.
“Levei 11 anos e três gerações de alunos para fazer nosso próprio [laser quântico terahertz em cascata] em 2002”, diz ele. Desde então, as temperaturas máximas de operação que limitavam o uso da radiação terahertz permaneceram bem abaixo da temperatura ambiente. O máximo de -23°C relatado neste artigo representa um salto considerável em relação ao máximo anterior de -63°C, que foi estabelecido em 2019, batendo um recorde anterior de -73°C em 2012, que permaneceu inalterado por sete anos.
Os lasers, que medem apenas alguns milímetros de comprimento e são mais finos que um fio de cabelo humano, são estruturas de poços quânticos com poços e barreiras meticulosamente planejados. Dentro da estrutura, os elétrons “caem em cascata” descendo uma espécie de escada, emitindo uma partícula de luz, ou fóton, a cada passo.
Uma inovação importante descrita no artigo da Nature Photonics foi a duplicação da altura das barreiras dentro do laser para evitar o vazamento de elétrons, um fenômeno que tendia a aumentar em altas temperaturas.
“Nós entendemos que o vazamento de elétrons além da barreira era o assassino”, fazendo com que o sistema quebrasse se não fosse resfriado com um criostato, disse Hu. “Então, colocamos uma barreira mais alta para evitar o vazamento, e isso acabou sendo a chave para o avanço.”
Anteriormente, as barreiras mais altas eram exploradas esporadicamente, mas produziam resultados inferiores, diz Hu. A opinião predominante era que o aumento do espalhamento de elétrons associado às barreiras mais altas era prejudicial e, portanto, barreiras mais altas deveriam ser evitadas.
A equipe de pesquisa desenvolveu os parâmetros corretos para a estrutura de banda para barreiras altas e um esquema de otimização conceitualmente novo para o projeto.
Essa inovação foi combinada com um “esquema de fônon direto” que mantém o laser operando por meio de uma configuração na qual níveis de laser mais baixos de cada módulo, ou degraus da escada da estrutura, são rapidamente despovoados de elétrons por meio de fônon (ou uma unidade de energia vibracional) espalhando para um estado fundamental, que então serve como o injetor de elétrons para o nível superior da próxima etapa, e o processo se repete. Tal arranjo dos elétrons no sistema é essencial para que o lasing ocorra, conforme previsto pela primeira vez por Einstein em 1916.
“Essas são estruturas muito complexas com cerca de 15.000 interfaces entre poços quânticos e barreiras, metade das quais não têm nem sete camadas atômicas de espessura”, diz o co-autor Zbig Wasilewski, professor de engenharia elétrica e de computação e cadeira dotada de nanotecnologia da Universidade de Waterloo. “A qualidade e a reprodutibilidade dessas interfaces são de importância crítica para o desempenho dos lasers terahertz. Levou-se o melhor em recursos de crescimento epitaxial de feixe molecular – a principal contribuição de nossa equipe de pesquisa – junto com a experiência de nossos colaboradores do MIT em modelagem e fabricação de dispositivos quânticos, para fazer um progresso tão importante neste setor desafiador da fotônica THz.”
Em um ambiente médico, o novo sistema portátil, que inclui uma câmera compacta e detector e pode operar em qualquer lugar com uma tomada elétrica, pode fornecer imagens em tempo real durante exames regulares de câncer de pele ou mesmo durante procedimentos cirúrgicos para extirpar tecidos cancerígenos. As células cancerosas aparecem “de forma muito dramática em terahertz” porque têm maiores concentrações de água e sangue do que as células normais, disse Hu.
A tecnologia também pode ser aplicada em muitas indústrias onde a detecção de objetos estranhos dentro de um produto é necessária para garantir sua segurança e qualidade.
A detecção de gases, drogas e explosivos pode se tornar especialmente sofisticada com o uso de radiação terahertz. Por exemplo, compostos como o hidróxido, um agente destruidor de ozônio, têm uma “impressão digital” espectral especial na fúria da frequência terahertz, assim como as drogas, incluindo metanfetamina e heroína, e explosivos, incluindo TNT.
“Não apenas podemos ver objetos através de materiais opticamente opacos, mas também podemos identificar as substâncias”, diz Hu.
Hu diz que vê “um caminho claro” para o objetivo de gerar terahertz poderosos sem precisar de um refrigerador.
“Usar o esquema de fonon direto e barreiras mais altas é o caminho a seguir”, diz ele. “Posso finalmente ver a luz no fim do túnel quando alcançarmos a temperatura ambiente.”
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