El rango de frecuencia de terahercios, que se encuentra en el medio del espectro electromagnético entre las microondas y la luz infrarroja, ofrece el potencial para comunicaciones de gran ancho de banda, imágenes de ultra alta resolución, detección precisa de largo alcance para radioastronomía, y mucho más.

Pero esta sección del espectro electromagnético se ha mantenido fuera del alcance de la mayoría de las aplicaciones. Esto se debe a que las fuentes actuales de frecuencias de terahercios son voluminosas, ineficiente, tienen afinación limitada, o debe funcionar a baja temperatura.

Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson, en colaboración con el Instituto de Tecnología de Massachusetts y el Ejército de los EE. UU., han desarrollado un compacto, temperatura ambiente, Láser de terahercios ampliamente sintonizable.

La investigación se publica en Ciencias .

"Este láser supera a cualquier fuente de láser existente en esta región espectral y la abre, por primera vez, a una amplia gama de aplicaciones en ciencia y tecnología, "dijo Federico Capasso, el profesor Robert L. Wallace de Física Aplicada y el investigador principal Vinton Hayes en Ingeniería Eléctrica en SEAS y coautor principal del artículo.

"Hay muchas necesidades para una fuente como este láser, cosas como corto alcance, comunicaciones inalámbricas de gran ancho de banda, radar de muy alta resolución, y espectroscopia, "dijo Henry Everitt, tecnólogo principal del Centro de Misiles y Aviación CCDC del Ejército de los EE. UU. y coautor principal del artículo.

Everitt también es profesor adjunto de física en la Universidad de Duke.

Si bien la mayoría de las fuentes de terahercios ópticas o electrónicas utilizan ineficiente, y sistemas complejos para producir las escurridizas frecuencias con rango de sintonización limitado, Capasso, Everitt, y su equipo adoptó un enfoque diferente.

Para entender lo que hicieron repasemos algunos aspectos básicos de la física de cómo funciona un láser.

En física cuántica, los átomos o moléculas excitados se encuentran en diferentes niveles de energía; considérelos como los pisos de un edificio. En un láser de gas típico, una gran cantidad de moléculas quedan atrapadas entre dos espejos y se llevan a un nivel de energía excitada, también conocido como un piso más alto en el edificio. Cuando llegan a ese piso, ellos decaen, caer un nivel de energía, y emitir un fotón. Estos fotones estimulan la desintegración de más moléculas a medida que rebotan hacia adelante y hacia atrás, conduciendo a la amplificación de la luz. Para cambiar la frecuencia de los fotones emitidos, necesita cambiar el nivel de energía de las moléculas excitadas.

Entonces, ¿Cómo se cambia el nivel de energía? Una forma es usar la luz. En un proceso llamado bombeo óptico, la luz eleva las moléculas de un nivel de energía más bajo a uno más alto, como un ascensor cuántico. Los láseres moleculares de terahercios anteriores utilizaban bombas ópticas, pero estaban limitados en su sintonización a unas pocas frecuencias, lo que significa que el ascensor solo llegaba a un pequeño número de pisos.

El gran avance de esta investigación es que Capasso, Everitt, y su equipo utilizó un láser de cascada cuántica (QCL) como su bomba óptica. Estos poderosos láseres portátiles, co-inventado por Capasso y su grupo en Bell Labs en la década de 1990, son capaces de producir de manera eficiente una luz ampliamente sintonizable. En otras palabras, este ascensor cuántico puede detenerse en cada piso del edificio.

La teoría para optimizar el funcionamiento del nuevo láser fue desarrollada por Steven Johnson, profesor de física y matemáticas aplicadas en el MIT, y su estudiante de posgrado Fan Wang.

Los investigadores combinaron la bomba láser de cascada cuántica con un láser de óxido nitroso, también conocido como gas de la risa.

"Al optimizar la cavidad láser y las lentes, pudimos producir frecuencias que abarcan casi 1 terahercio, "dijo Arman Amirzhan, estudiante de posgrado en el grupo de Capasso y coautor del artículo.

"Los láseres moleculares THz bombeados por un láser de cascada cuántica ofrecen alta potencia y un amplio rango de sintonización en un diseño sorprendentemente compacto y robusto, "dijo el premio Nobel Theodor Hänsch del Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica en Munich, que no participó en esta investigación. "Estas fuentes desbloquearán nuevas aplicaciones desde la detección hasta la espectroscopia fundamental".

"Lo interesante es que el concepto es universal, "dijo Paul Chevalier, becario postdoctoral en SEAS y primer autor del artículo. "Con este marco, se podría hacer una fuente de terahercios con un láser de gas de casi cualquier molécula y las aplicaciones son enormes ".

"Este resultado es único, ", dijo Capasso." La gente sabía cómo hacer un láser de terahercios antes, pero no podía hacerlo de banda ancha. No fue hasta que comenzamos esta colaboración, después de un encuentro fortuito con Henry en una conferencia, que pudimos establecer la conexión de que se podía usar una bomba ampliamente sintonizable como el láser de cascada cuántica ".

Este láser se puede utilizar en todo, desde la mejora de la imagenología del cáncer de piel y de mama hasta la detección de fármacos, seguridad de aeropuerto, y enlaces inalámbricos ópticos de ultra alta capacidad.

"Estoy particularmente entusiasmado con la posibilidad de usar este láser para ayudar a mapear el medio interestelar, "dijo Everitt." Las moléculas tienen huellas digitales espectrales únicas en la región de terahercios, y los astrónomos ya han comenzado a usar estas huellas digitales para medir la composición y temperatura de estas nubes primordiales de gas y polvo. Una mejor fuente terrestre de radiación de terahercios como nuestro láser hará que estas mediciones sean aún más sensibles y precisas ".

Esta historia se publica por cortesía de Harvard Gazette, Periódico oficial de la Universidad de Harvard. Para noticias universitarias adicionales, visite Harvard.edu.