Nuevo láser que dispara rayos de terahercios podría mejorar las imágenes médicas y la detección de contrabando

Los láseres compactos basados ​​en chips han conquistado gran parte del espectro electromagnético, desde el ultravioleta al infrarrojo, permitiendo tecnologías que van desde las comunicaciones digitales y los lectores de códigos de barras hasta los punteros láser e impresoras.

Pero una región clave del espectro permaneció indómita: la banda de terahercios, que se encuentra entre la luz infrarroja y las microondas.

Los ingenieros anhelaban una fuente de radiación de terahercios, que pudiera penetrar objetos opacos y sondear huellas químicas en su interior.

Pero los láseres compactos de terahercios solo han funcionado a temperaturas ultrabajas, limitándolos principalmente a entornos de laboratorio.

No más. En Nature Photonics, los investigadores informan sobre la creación de un láser de terahercios del tamaño de un grano de arroz en un chip que funciona a 250 K, o -23 ° C, al alcance de un enfriador enchufable del tamaño de una galleta.

“Este es un gran logro“, dice Miriam Vitiello, física de materia condensada del Instituto de Nanociencia del Consejo Nacional de Investigación de Italia.

“Ha sido un objetivo a largo plazo en la comunidad elevar la temperatura de los láseres de terahercios”, agrega.

“Ahora hay una gran cantidad de aplicaciones que se pueden realizar”, desde imágenes médicas hasta detección de explosivos en los aeropuertos.

Los láseres estándar basados ​​en chips generan sus fotones cuando los electrones caen en espacios libres de electrones dentro de una aleación de semiconductores, cuya composición determina el color.

El nitruro de galio, por ejemplo, emite luz azul, mientras que el arseniuro de galio emite rojo.

Sin embargo, ninguna aleación de semiconductores emite fotones en el rango de terahercios. (“Terahercios” se refiere a la frecuencia de la luz: billones de ciclos por segundo).

En 1994, investigadores de AT&T Bell Labs crearon un nuevo tipo de láser en el que la estructura del semiconductor, no solo su química, determinaba la longitud de onda.

Llamado láser de cascada cuántica (QCL), contenía cientos de capas de semiconductores de espesores precisos.

Los electrones inyectados en la estructura caen en cascada por cientos de pasos de energía, arrojando un fotón en cada uno.

Esos fotones eran infrarrojos en el primer QCL, pero en 2002 investigadores en Italia y el Reino Unido crearon láseres QCL que emitían fotones de terahercios.

Esos dispositivos debían enfriarse a 50 K, pero el año pasado, investigadores dirigidos por el físico Jérôme Faist en ETH Zurich revelaron un QCL de terahercios compuesto por cientos de capas alternas de arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs) que funciona a 210 K.

Sin embargo, todavía requería refrigeradores criogénicos voluminosos y costosos.

A temperaturas más altas, los electrones saltan las barreras entre capas en lugar de caer en cascada a través de la estructura paso a paso.

“La fuga de electrones por encima de la barrera fue el asesino“, dice Qing Hu, ingeniero eléctrico del Instituto de Tecnología de Massachusetts.

Entonces, Hu y sus colegas agregaron más aluminio a las barreras AlGaAs con la esperanza de confinar mejor los electrones.

El equipo de Hu también tuvo que evitar que los electrones interactuaran de una manera que hiciera que se filtraran a través de las barreras AlGaAs.

Ahora, el equipo de Hu ha demostrado que al adaptar su estructura en capas con mayor precisión, algunas capas tenían solo siete átomos de espesor, podría hacer que los electrones se comportaran a temperaturas lo suficientemente cálidas como para alcanzarlas con los refrigeradores termoeléctricos compactos estándar.

Además, dice Hu, la misma estrategia debería permitir al equipo fabricar láseres de terahercios a temperatura ambiente.

Las fuentes de terahercios a temperatura ambiente podrían combinarse con detectores de terahercios que también funcionan a temperatura ambiente, que Vitiello y otros investigadores están desarrollando ahora.

Ese matrimonio podría conducir a tecnologías como los generadores de imágenes de terahercios capaces de distinguir el cáncer de piel del tejido normal sin una biopsia u observar a los pasajeros y la carga de las aerolíneas en busca de explosivos ocultos, drogas ilegales e incluso falsificaciones farmacéuticas.

Faist dice: “Hemos esperado esto durante mucho tiempo“.

Fuente: Science Mag