Xi-Cheng Zhang ha trabajado durante casi una década para resolver un rompecabezas científico que muchos en la comunidad de investigadores creían imposible:producir ondas de terahercios, una forma de radiación electromagnética en el rango de frecuencia del infrarrojo lejano, a partir de agua líquida.

Ahora, como se informa en un artículo publicado en Letras de física aplicada , investigadores de la Universidad de Rochester han "hecho lo imposible, posible, "dice Zhang, el profesor de óptica M. Parker Givens. "Descubrir cómo generar ondas de terahercios a partir de agua líquida es un avance fundamental porque el agua es un elemento tan importante en el cuerpo humano y en la Tierra".

Las ondas de terahercios han atraído una mayor atención recientemente debido a su capacidad para atravesar objetos sólidos de forma no destructiva. incluidos los de tela, papel, madera, el plastico, y cerámica, y producir imágenes del interior de los objetos. Adicionalmente, la energía de un fotón de terahercios es más débil que la de un fotón de rayos X. A diferencia de los rayos X, Las ondas de terahercios no son ionizantes, no tienen suficiente energía para eliminar un electrón de un átomo, por lo que no tienen los mismos efectos dañinos en el tejido humano y el ADN.

Debido a estas habilidades, Las ondas de terahercios tienen aplicaciones únicas en imágenes y espectroscopía, desde descubrir bombas en paquetes sospechosos, para identificar murales escondidos debajo de capas de pintura, a la detección de caries.

"Las ondas de terahercios tienen la capacidad de ver a través de la ropa, por eso tienes estos escáneres corporales de sub-terahercios en los aeropuertos, ", Dice Zhang." Estas ondas pueden ayudar a identificar si un objeto es explosivo, químico, o biológico, incluso si no pueden decir exactamente cuál es el objeto ".

El grupo de investigación de Zhang utiliza láseres para generar pulsos de terahercios mediante la interacción con un objetivo. En este caso, el objetivo es una película extremadamente delgada de agua, aproximadamente 200 micrones o aproximadamente el grosor de dos hojas de papel, creada usando agua suspendida por tensión superficial entre dos alambres de aluminio. Los investigadores enfocan un láser en la película de agua, que actúa como emisor de la salida de radiación en terahercios.

Investigadores anteriores han generado ondas de terahercios a partir de objetivos de cristales sólidos, rieles, plasma de aire, y vapor de agua, pero, hasta ahora, el agua líquida ha resultado difícil de alcanzar.

"El agua se consideraba enemiga de las ondas de terahercios debido a la fuerte absorción del agua, "Dice Zhang." Siempre tratamos de evitar el agua, pero es una fuente de terahercios sorprendentemente eficiente ".

De hecho, cuando los investigadores midieron las ondas de terahercios generadas por el agua, descubrieron que eran 1,8 veces más fuertes que las ondas de terahercios generadas a partir del plasma de aire en condiciones experimentales comparables.

Debido a que el agua es un absorbente tan fuerte, sin embargo, mucha gente de la comunidad investigadora creía que sería imposible utilizar el agua como objetivo. El propio Zhang ha pasado años intentando una solución, y encontró un incondicional igualmente en Qi Jin, ahora candidato a doctorado en óptica en Rochester, y el autor principal del artículo.

"Casi todo el mundo pensó que no podríamos obtener una señal del agua, "Jin dice". Al principio, Yo tampoco lo creí ".

Uno de los desafíos fue crear una película de agua lo suficientemente delgada como para que los fotones de terahercios generados por el rayo láser no fueran absorbidos. pero lo suficientemente grueso para soportar la energía del láser.

Junto con Yiwen E, un asociado postdoctoral en el grupo de investigación de Zhang, Jin pasó meses optimizando el grosor de la película de agua y el ángulo de incidencia, intensidad, y duración del pulso del rayo láser.

"Aumentamos un poco el espesor del agua, y aumentó gradualmente el láser, y seguí intentándolo hasta que pudimos hacerlo funcionar, ", Dice Jin." El agua es uno de los recursos más ricos de la Tierra, por eso era muy importante para nosotros poder generar estas ondas a partir del agua. Hubo muchas veces que quise renunciar a esto, pero la gente del laboratorio seguía animándome ".

Zhang está de acuerdo:"Siempre les digo a mis estudiantes e investigadores aquí:si intentas algo, es posible que no obtenga el resultado que deseaba. Pero si nunca lo intentas definitivamente no lo conseguirás ".