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 de infrarrojos y microondas, La radiación THz combina una serie de propiedades ideales para las aplicaciones. Proporciona una 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 tema, en estudio. Esto abre perspectivas interesantes para la obtención de imágenes no invasivas y el control de calidad no destructivo, entre otras aplicaciones. Pero mientras que no hay escasez de ideas para usos potenciales, su implementación se ve obstaculizada por la falta de tecnologías prácticas para generar y detectar radiación THz.

De ahí la emoción como Lorenzo Bosco, Martin Franckié y sus colegas del grupo de Jérôme Faist en el Instituto de Electrónica Cuántica de ETH Zurich informaron de la realización de un láser de cascada cuántica THz que opera 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, esta es la primera vez que se ha demostrado el funcionamiento de un dispositivo de este tipo en un régimen de temperatura en el que no se necesitan refrigerantes criogénicos. En lugar de, Bosco y col. usó un enfriador termoeléctrico, que es mucho más compacto, más barato y más fácil de mantener que los equipos criogénicos. Con este avance, eliminaron los principales obstáculos en la ruta para diversas aplicaciones prácticas.

Una cascada hacia las aplicaciones

Los láseres de cascada cuántica (QCL) se han establecido durante mucho tiempo como un concepto natural para los dispositivos THz. Como 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. Pero en comparación con los láseres 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 breve, Están construidos alrededor de pilas repetidas de estructuras semiconductoras diseñadas con precisión (vea la figura, panel c), que están diseñados de manera que se produzcan en ellos transiciones electrónicas adecuadas (panel d).

Los QCL se propusieron en 1971, pero se demostraron por primera vez en 1994, por Faist y colegas, luego trabajó en Bell Laboratories (EE. UU.). El enfoque ha demostrado su valor en una amplia gama de experimentos, tanto fundamental como aplicado, principalmente en la región de infrarrojos. El desarrollo de QCL para la emisión de THz ha logrado avances sustanciales, también, a partir de 2001. Sin embargo, el uso generalizado se ha visto obstaculizado por el requisito de refrigerantes criogénicos, generalmente helio líquido, que agrega una complejidad y un costo sustanciales, y hace que los dispositivos sean más grandes y menos móviles. El progreso hacia el funcionamiento de THz QCL a temperaturas más altas se ha estancado esencialmente en el punto de hace siete años, cuando se logró el funcionamiento de los dispositivos a alrededor de 200 K (-73 ° C).

Barrera cruzada

Alcanzar 200 K fue una hazaña impresionante. Esa temperatura sin embargo, está justo debajo de la marca donde las técnicas criogénicas podrían ser reemplazadas por enfriamiento termoeléctrico. El hecho de que la temperatura récord no se haya movido desde 2012 también significó que una especie de "barrera psicológica" comenzó a elevarse; muchos en el campo comenzaron a aceptar que los THz QCL siempre tendrían que operar junto con un enfriador criogénico.

El equipo de ETH ahora ha derribado esa barrera. Escribiendo en Letras de física aplicada , presentan un THz QCL termoeléctrico, operando a temperaturas de hasta 210 ° K. Es más, la luz láser emitida era lo suficientemente fuerte como para poder medirla con un detector de temperatura ambiente. Esto significa que toda la configuración funcionó sin enfriamiento criogénico, fortalecer 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 unidad más simple posible, basado en dos de los llamados pozos cuánticos por período (ver la figura, panel d). Se sabe 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 semiconductoras. La optimización del rendimiento en relación con un parámetro puede provocar la degradación en relación con otro. Dado que la optimización experimental sistemática no es una opción viable, tenían que depender de modelos numéricos.

Esta es la segunda área en la que el grupo ha logrado avances sustanciales. En un trabajo reciente, han establecido que pueden simular con precisión dispositivos QCL experimentales complejos, utilizando un enfoque conocido como modelo de función de Green sin equilibrio. Los cálculos deben realizarse en un potente clúster de computadoras, pero son lo suficientemente eficientes como para que se puedan utilizar 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 realizar una serie de láseres que funcionan constantemente a temperaturas que podrían alcanzarse con enfriamiento termoeléctrico (ver la figura, paneles ayb). Y el enfoque de ninguna manera está agotado. Existen ideas para elevar aún más la temperatura operativa en el grupo Faist, y los resultados preliminares parecen prometedores.

Llenar la brecha de THz

La primera demostración de un láser de cascada cuántica de terahercios que funciona sin enfriamiento criogénico constituye un paso importante para llenar la 'brecha de THz', que ha existido durante mucho tiempo entre las tecnologías maduras de radiación infrarroja y de microondas. Sin partes móviles ni líquidos circulantes involucrados, el tipo de THz QCL refrigerados termoeléctricamente que ahora introducen los físicos de ETH se puede aplicar y mantener más fácilmente fuera de los confines de los laboratorios especializados, levantando aún más la tapa del "cofre del tesoro THZ".