Dentro del término medio electromagnético entre microondas y 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 pasar directamente, de forma similar a las microondas. Si se transformaron en láseres, las ondas de Terahercios podrían habilitar "Tvisión de rayos ", con la capacidad de ver a través de la ropa, cubiertas de libros y otros materiales delgados. Dicha tecnología podría producir imágenes nítidas y de mayor resolución que las microondas, y ser mucho más seguro que los rayos X.
La razón por la que no vemos máquinas de rayos T en, por ejemplo, líneas de seguridad aeroportuarias e instalaciones de imágenes médicas es que la producción de radiación de terahercios requiere configuraciones o dispositivos muy grandes y voluminosos que producen radiación de terahercios a una sola frecuencia, no muyútil, dado que se requiere una amplia gama de frecuencias para penetrar varios materiales.
Ahora los investigadores del MIT, la Universidad de Harvard y el Ejército de los EE. UU. Han construido un dispositivo compacto, del tamaño de una caja de zapatos, que produce un láser de terahercios cuya frecuencia pueden sintonizar en un amplio rango.está diseñado para generar ondas de terahercios al aumentar la energía de las moléculas en óxido nitroso o, como se lo 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 pueden usarse como una forma de comunicación inalámbrica, transportando información a un ancho de banda mayor que el radar, por ejemplo, y haciéndolo a través de distanciasque los científicos ahora pueden sintonizar usando el dispositivo del grupo.
"Al ajustar 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 le da un control preciso sobre quién puede 'escuchar' sus comunicaciones de terahercios o 'ver' su radar de terahercios", Dice Johnson." 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, radar y espectroscopía ".
Johnson y sus colegas han publicado sus resultados en la revista ciencia . Los coautores incluyen al postdoc 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 Comando de Desarrollo de Combate de Capacidades de Combate del Ejército de los 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 típicamente fluoruro de metilo cuyas moléculas reaccionan vibrando y eventualmente girandoLas moléculas giratorias pueden saltar de un nivel de energía al siguiente, cuya diferencia se emite como una especie de energía sobrante, en forma de un fotón en el rango de terahercios. A medida que se acumulan más fotones en la cavidad, producenTerahercios láser.
Los investigadores dicen que mejorar el diseño de estos láseres de gas se ha visto obstaculizado por modelos teóricos poco fiables. En pequeñas cavidades a altas presiones de gas, los modelos predijeron que, más allá de cierta presión, las moléculas estarían demasiado "apretadas" para girar yemiten ondas de terahercios. En parte por esta razón, los láseres de gas 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 dijeron que era posible. Esta discrepancia nunca se explicó por completo, y el trabajo con láser de gas terahercios se quedó en el camino a favor de otros enfoques.
Hace unos años, Everitt mencionó este misterio teórico a Johnson cuando los dos estaban colaborando en otro trabajo como parte del Instituto de Nanotecnologías para Soldados del MIT. Junto con Everitt, Johnson y Wang aceptaron el desafío, y finalmente formularon una nueva teoría matemáticapara describir el comportamiento de un gas en una cavidad láser de gas molecular. La teoría también explicó con éxito cómo se pueden 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 infrarroja, las teorías anteriores descartaron muchos de estos estados vibratorios y asumieron en cambio que un puñado de vibraciones era lo que finalmente importaba para producir una onda de terahercios.una cavidad era demasiado pequeña, las teorías previas sugirieron que las moléculas que vibran en respuesta a un láser infrarrojo entrante colisionarían con mayor frecuencia 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 reaccionarían esas moléculasa 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 había estado tirando, te dan un amortiguador", dice Johnson. "En modelos más simples, las moléculas giran, pero cuando golpean contra otras moléculas pierdentodo. Una vez que incluye todos estos otros estados, eso ya no sucede. Estas colisiones pueden transferir energía a otros estados vibratorios, y de alguna manera le dan más espacio para respirar para seguir girando y seguir haciendo 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 de terahercios compacto al combinar el modelo con nuevos gases y un nuevo tipo de láser infrarrojo.
Para la fuente de infrarrojos, los investigadores usaron 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 del terahercio que sale", dice Johnson.
Los investigadores se asociaron con Capasso, un pionero en el desarrollo de QCL, que proporcionó un láser que produjo un rango de potencia que su teoría predijo que funcionaría con una cavidad del tamaño de un bolígrafo aproximadamente 1 / 1,000 del tamaño de uncavidad convencional. Luego, los investigadores buscaron un gas para girar.
El equipo buscó en las bibliotecas de gases para identificar aquellos que se sabía que rotaban de cierta manera en respuesta a la luz infrarroja, eventualmente aterrizando en óxido nitroso o gas de la risa, como un candidato ideal y accesible para su experimento.
Ordenaron óxido nitroso de laboratorio, que bombearon en 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 delas ondas de terahercios también cambiaron, en un amplio rango.
"Estas demostraciones confirman el concepto universal de una fuente de láser molecular de terahercios que puede ser ampliamente ajustable en todos sus estados de rotación cuando se bombea mediante un QCL continuamente ajustable", dice Wang.
Desde estos experimentos iniciales, los investigadores han extendido 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, junto con unQCL se adapta a cada gas. Las herramientas teóricas del grupo también permiten a los científicos adaptar el diseño de la cavidad a diferentes aplicaciones. Ahora están empujando hacia haces más enfocados y mayores poderes, con el desarrollo comercial en el horizonte.
Johnson dice que los científicos pueden referirse al modelo matemático del grupo para diseñar láseres de terahercios nuevos, compactos y ajustables, 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 ajustables, por lo que buscaron otras fuentes de terahercios", dice Johnson. "Ahora estamos diciendo que puedensea pequeño, sintonizable y mucho más eficiente. Puede colocar esto en su mochila o en su vehículo para comunicación inalámbrica o imágenes de alta resolución. Porque no quiere un ciclotrón en su automóvil ".
Esta investigación fue apoyada en parte por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. Y la National Science Foundation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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