La radiación de Terahercios THz es un poco como un cofre del tesoro que se resiste a abrirse por completo. Residiendo en el espectro electromagnético entre las regiones infrarroja y de microondas, la radiación de THz combina una gama de propiedades que son ideales con vistas a las aplicaciones. Proporcionauna ventana a información espectroscópica única sobre moléculas y sólidos, puede penetrar materiales no conductores como textiles y tejidos biológicos, y lo hace sin ionizar, y por lo tanto dañar, el objeto o sujeto en estudio.Perspectivas intrigantes para imágenes no invasivas y control de calidad no destructivo, entre otras aplicaciones. Pero aunque no hay escasez de ideas para usos potenciales, su implementación se ve obstaculizada por la falta de tecnologías prácticas para generar y detectar la radiación THz.
Por lo tanto, la emoción cuando Lorenzo Bosco, Martin Franckié y sus colegas del grupo de Jérôme Faist en el Instituto de Electrónica Cuántica de ETH Zurich informaron ahora de la realización de un láser de cascada cuántica THz que funciona a una temperatura de 210 K -63 °C. Esa es la temperatura operativa más alta alcanzada hasta ahora para este tipo de dispositivo. Más importante aún, esta es la primera vez que se demuestra el funcionamiento de dicho dispositivo en un régimen de temperatura donde no se necesitan refrigerantes criogénicos. En cambio, Bosco et al.Al. utilizó un enfriador termoeléctrico, que es mucho más compacto, más barato y más fácil de mantener que el equipo criogénico. Con este avance, eliminaron los principales obstáculos en el camino hacia diversas aplicaciones prácticas.
Una cascada hacia las aplicaciones
Los láseres en cascada cuánticos QCL se han establecido durante mucho tiempo como un concepto natural para los dispositivos THz. Al igual que muchos láseres que se utilizan ampliamente como fuentes de luz en la región de frecuencia visible a infrarroja, los QCL se basan en materiales semiconductores.Para los láseres de semiconductores típicos utilizados, por ejemplo, en lectores de códigos de barras o punteros láser, los QCL funcionan de acuerdo con un concepto fundamentalmente diferente para lograr la emisión de luz. En resumen, se construyen alrededor de pilas repetidas de estructuras de semiconductores diseñadas con precisión, diseñadas de manera taltransiciones electrónicas tienen lugar en ellos.
Los QCL se propusieron en 1971, pero fueron demostrados por primera vez solo en 1994 por Faist y sus colegas, que luego trabajaban en Bell Laboratories EE. UU.. El enfoque ha demostrado su valor en una amplia gama de experimentos, tanto fundamentales como aplicados,principalmente en la región infrarroja. El desarrollo de QCL para la emisión de THz también ha hecho avances sustanciales a partir de 2001. Sin embargo, el uso generalizado se ha visto obstaculizado por el requisito de refrigerantes criogénicos, típicamente helio líquido, que agrega una complejidad y un costo sustanciales,y hace que los dispositivos sean más grandes y menos móviles. El progreso hacia la operación de THz QCLs a temperaturas más altas se atascó esencialmente hace siete años, cuando se logró la operación de dispositivos a alrededor de 200 K -73 ° C.
barrera cruzada
Alcanzar 200 K fue una hazaña impresionante. Sin embargo, esa temperatura está justo debajo de la marca donde las técnicas criogénicas podrían reemplazarse con enfriamiento termoeléctrico. Que la temperatura récord no se movió desde 2012 también significó que comenzó una especie de 'barrera psicológica'para subir: muchos en el campo comenzaron a aceptar que los QCL de THz siempre tendrían que funcionar junto con un refrigerador criogénico. El equipo de ETH ahora ha roto esa barrera. letras de física aplicada , presentan un THz QCL enfriado termoeléctricamente, que funciona a temperaturas de hasta 210 ° K. Además, la luz láser emitida era lo suficientemente fuerte como para poder medirse con un detector de temperatura ambiente. Esto significa que toda la configuración funcionó sin criogénicoenfriamiento, fortaleciendo aún más el potencial del enfoque para aplicaciones prácticas.
Bosco, Franckié y sus compañeros de trabajo lograron eliminar la 'barrera de enfriamiento' debido a dos logros relacionados. Primero, utilizaron en el diseño de sus pilas QCL la estructura de unidades más simple posible, basada en dos llamados pozos cuánticos porSe ha sabido que este enfoque es una ruta hacia temperaturas de operación más altas, pero al mismo tiempo este diseño de dos pozos también es extremadamente sensible a los cambios más pequeños en la geometría de las estructuras de semiconductores. La optimización del rendimiento en relación con un parámetro puede conducira la degradación en relación con otra. Como la optimización experimental sistemática no es una opción viable, tuvieron que confiar en el modelado numérico.
Esta es la segunda área en la que el grupo ha realizado un progreso sustancial. En trabajos recientes, han establecido que pueden simular con precisión dispositivos QCL experimentales complejos, utilizando un enfoque conocido como modelo de función de no equilibrio de Green. Los cálculos deben realizarse enes un poderoso grupo de computadoras, pero son lo suficientemente eficientes como para que puedan usarse para buscar sistemáticamente diseños óptimos. La capacidad del grupo para predecir con precisión las propiedades de los dispositivos y para fabricar dispositivos de acuerdo con especificaciones precisas les dio las herramientas para realizaruna serie de láseres que funcionan constantemente a temperaturas que se pueden alcanzar con enfriamiento termoeléctrico. Y el enfoque no se agota de ninguna manera. Las ideas para elevar aún más la temperatura operativa existen en el grupo Faist, y los resultados preliminares parecen prometedores.
llenando el espacio de THz
La primera demostración de un láser de cascada cuántica de terahercios que funciona sin enfriamiento criogénico constituye un paso importante para llenar el 'vacío de THz', que ha existido durante mucho tiempo entre las tecnologías maduras para microondas y radiación infrarroja. Sin partes móviles o líquidos circulantes involucrados,el tipo de THZ QCL enfriados termoeléctricamente ahora introducido por los físicos ETH se puede aplicar y mantener más fácilmente fuera de los límites de los laboratorios especializados, levantando aún más la tapa del 'cofre del tesoro THZ'.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por ETH Departamento de Física de Zurich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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