Invisible para el ojo humano, Las ondas electromagnéticas de terahercios pueden "ver a través" de todo, desde la niebla y las nubes hasta la madera y la mampostería, un atributo que es muy prometedor para la investigación astrofísica. detección de explosivos ocultos y muchas otras aplicaciones.

Los láseres de terahercios pueden producir fotones con frecuencias de billones de ciclos por segundo, energías entre las de los fotones infrarrojos y de microondas. Estos fotones, sin embargo, son notoriamente difíciles de generar, y ahí es donde entra en juego el profesor asociado de ingeniería eléctrica de UCLA, Benjamin Williams. Él y su grupo de investigación en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Henry Samueli de UCLA están trabajando arduamente para explorar "una de las últimas fronteras de la tecnología electromagnética espectro, "como lo describe Williams.

La mayoría de los láseres ópticos e infrarrojos funcionan mediante la transición de electrones entre dos niveles de energía en un cristal semiconductor y emitiendo un fotón. Sin embargo, este proceso no se extiende tan fácilmente al rango de terahercios.

"Si desea generar radiación de terahercios, necesitas un fotón de muy baja energía, por lo que necesita dos niveles de energía que estén muy juntos, y eso es difícil de hacer con los semiconductores que nos da la naturaleza, "dijo Williams.

Él y sus colaboradores en el Laboratorio de Nanoestructuras Intersubbandas y Dispositivos de Terahercios producen fotones de terahercios mediante la ingeniería de materiales artificiales que imitan los niveles de energía de los átomos. Estos llamados "láseres de cascada cuántica" se fabrican colocando diferentes semiconductores en capas, algunos de sólo unos pocos átomos de espesor, para formar pozos cuánticos. Los pozos cuánticos son como pequeñas "cajas" que confinan los electrones a ciertos niveles de energía elegidos por diseño. A medida que un electrón pasa de un nivel a otro de energía, emite fotones. Un solo electrón puede caer en cascada entre los muchos pozos cuánticos en un láser de cascada cuántica y desencadenar la emisión de múltiples fotones de terahercios, produciendo así un potente rayo láser. Otra ventaja de los láseres de cascada cuántica es que se puede modular la frecuencia de los fotones emitidos.

"En lugar de limitarse a la banda prohibida que ofrece la naturaleza, podemos cambiar el ancho de estos pozos cuánticos para elegir la banda prohibida efectiva [y cambiar la frecuencia de los fotones]. Ese es un concepto muy poderoso, "dijo Williams.

Si bien los láseres de cascada cuántica son potentes y sintonizables en frecuencia, una desventaja significativa ha sido su calidad de luz de cruce.

"Piense en un puntero láser, que tiene una viga muy bonita, "Dijo Williams." El rayo va donde lo desee, y parece un buen lugar. No estás desperdiciando la luz ".

Láseres de terahercios, por otra parte, a menudo tienen haces que son muy divergentes, lo que significa que el haz de luz se extiende y, en consecuencia, se vuelve menos potente. En algunos casos, el rayo de un láser de terahercios diverge tanto que solo el 0,1 por ciento termina donde estaba previsto inicialmente.

Un logro importante del laboratorio de Williams ha sido la creación de un tipo de láser de cascada cuántica de terahercios que posee un patrón de haz excelente y alta potencia.

"Nuestra innovación fue hacer una superficie artificial compuesta por un montón de pequeñas antenas láser [estructuras metálicas que funcionan como un amplificador de cascada cuántica]. El efecto neto es un espejo que refleja la luz de terahercios a medida que la amplifica y la enfoca al mismo tiempo tiempo, ", dijo Williams." Creemos que esta capacidad nos permitirá crear láseres con control de casi todas las propiedades de la luz:su longitud de onda, amplitud, fase, y polarización ".

Williams y su equipo también están explorando cómo se pueden diseñar los láseres de cascada cuántica para que funcionen a temperatura ambiente. En la actualidad, los científicos deben enfriar sus láseres a 77 Kelvin (-321 ° F), un paso que limita el uso de los láseres fuera de un laboratorio. Ahora, Williams está investigando la construcción de esos láseres utilizando puntos cuánticos en lugar de pozos cuánticos. Mientras que los pozos cuánticos limitan el movimiento de los electrones en una sola dimensión, los puntos cuánticos restringen su movimiento en las tres dimensiones. Se predice que el confinamiento adicional en los puntos cuánticos reducirá drásticamente la cantidad de electrones que se dispersan, lo que permitiría que estos láseres funcionen a temperatura ambiente.

"Actualmente estamos trabajando con Diana Huffaker [profesora de ingeniería eléctrica en UCLA], que crece puntos cuánticos, ", dijo Williams." [Su trabajo] nos permitiría hacer los mismos tipos de ingeniería cuántica con puntos cuánticos que actualmente hacemos con los pozos cuánticos ".