El láser de nivel Landau es un concepto interesante para una fuente de radiación inusual. Podría generar de manera eficiente las llamadas ondas de terahercios, que se puede utilizar para penetrar materiales, con posibles aplicaciones en la transmisión de datos. Hasta aquí, sin embargo, casi todos los intentos de fabricar un láser de este tipo han fracasado. Un equipo internacional de investigadores ha dado ahora un paso importante en la dirección correcta:en la revista Fotónica de la naturaleza , describen un material que genera ondas de terahercios simplemente aplicando una corriente eléctrica. Los físicos del centro de investigación alemán Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) desempeñaron un papel importante en este proyecto.

Como la luz Las ondas de terahercios son radiación electromagnética en un rango de frecuencia entre microondas y radiación infrarroja. Sus propiedades son de gran interés tecnológico y científico, ya que permiten a los investigadores fundamentales estudiar las oscilaciones de las redes cristalinas o la propagación de las ondas de espín.

"Las ondas de terahercios son de interés para aplicaciones técnicas porque pueden penetrar numerosas sustancias que de otro modo serían opacas, como la ropa, plásticos y papel, "Stephan Winnerl, investigador de HZDR, explica. Los escáneres de terahercios ya se utilizan hoy en día para los controles de seguridad de los aeropuertos, detectar si los pasajeros esconden objetos peligrosos debajo de su ropa, sin tener que recurrir a rayos X dañinos.

Debido a que las ondas de terahercios tienen una frecuencia más alta que las ondas de radio que usamos hoy, también podrían aprovecharse para la transmisión de datos algún día. Tecnología WLAN actual, por ejemplo, opera en frecuencias de dos a cinco gigahercios. Dado que las frecuencias de terahercios son aproximadamente 1000 veces más altas, podrían transmitir imágenes, video y música mucho más rápido, aunque a distancias más cortas. Sin embargo, la tecnología aún no está completamente desarrollada. "Ha habido muchos avances en los últimos años, "Winnerl informa." Pero generar las ondas sigue siendo un desafío; los expertos hablan de una verdadera brecha de terahercios. "Un problema particular es la falta de un láser de terahercios que sea compacto, poderoso, y sintonizable al mismo tiempo.

Frecuencias flexibles

La luz láser es generada por los electrones en el material láser. Según el efecto cuántico, los electrones energizados emiten luz, pero no pueden absorber cualquier cantidad de energía al azar, solo ciertas porciones. Respectivamente, la luz también se emite en porciones, en un color específico y como un rayo enfocado. Por un tiempo, los expertos han puesto sus ojos en un concepto específico para un láser de terahercios, un láser de nivel Landau. Notablemente, puede utilizar un campo magnético para ajustar de forma flexible los niveles de energía de los electrones. Estos niveles, Sucesivamente, determinar las frecuencias que emiten los electrones, lo que hace que el láser se pueda sintonizar, una gran ventaja para muchas aplicaciones científicas y técnicas.

Solo hay un problema:tal láser aún no existe. "Hasta aquí, el problema ha sido que los electrones pasan su energía a otros electrones en lugar de emitirlos como las ondas de luz deseadas, "Winnerl explica. Los expertos llaman a este proceso físico el efecto Auger. Para su disgusto, este fenómeno también ocurre en el grafeno, un material que consideraron particularmente prometedor para un láser de nivel Landau. Esta forma bidimensional de carbono mostró una fuerte dispersión Auger en experimentos HZDR.

Una cuestión de material

Por lo tanto, el equipo de investigación probó otro material:una aleación de mercurio, un metal pesado, cadmio y telurio (HgCdTe) que se utiliza para cámaras termográficas de alta sensibilidad, entre otras cosas. La característica especial de este material es que su mercurio, los contenidos de cadmio y telurio se pueden elegir con mucha precisión, lo que permite ajustar una determinada propiedad que los expertos denominan banda prohibida.

Como resultado, el material mostró propiedades similares al grafeno, pero sin el problema de una fuerte dispersión de Auger. "Hay diferencias sutiles en el grafeno que evitan este efecto de dispersión, "dice Stephan Winnerl." En pocas palabras, los electrones no pueden encontrar ningún otro electrón que pueda absorber la cantidad correcta de energía ". Por lo tanto, no tienen más remedio que deshacerse de su energía en la forma que los científicos quieren:radiación de terahercios.

El proyecto fue un esfuerzo de equipo internacional:los socios rusos habían preparado las muestras de HgCdTe, que luego analizó el grupo líder del proyecto en Grenoble. Una de las investigaciones fundamentales tuvo lugar en Dresden-Rossendorf:utilizando el láser de electrones libres FELBE, los expertos dispararon fuertes pulsos de terahercios a la muestra y pudieron observar el comportamiento de los electrones en resolución temporal. El resultado:"Notamos que el efecto Auger que habíamos observado en el grafeno en realidad había desaparecido, "Dice Winnerl.

LED para Terahercios

Finalmente, un grupo de trabajo en Montpellier observó que el compuesto de HgCdTe en realidad emite ondas de terahercios cuando se aplica corriente eléctrica. Variando un campo magnético adicional de solo unos 200 militesla, los expertos pudieron variar la frecuencia de las ondas emitidas en un rango de uno a dos terahercios, una fuente de radiación sintonizable. "Todavía no es un láser, sino más bien como un LED de terahercios, "Describe Winnerl." Pero deberíamos poder extender el concepto a un láser, aunque requerirá un poco de esfuerzo ". Y eso es exactamente lo que los socios franceses quieren abordar a continuación.

Hay un factor limitante, sin embargo:hasta ahora, el principio solo ha funcionado cuando se enfría a temperaturas muy bajas, justo por encima del cero absoluto. "Este es sin duda un obstáculo para las aplicaciones diarias, ", Resume Winnerl." Pero para su uso en investigación y en ciertos sistemas de alta tecnología, deberíamos poder hacer que funcione con este tipo de enfriamiento ".