Dentro del término medio electromagnético entre las microondas y la luz visible se encuentra la radiación de terahercios, y la promesa de la "visión de rayos T".

Las ondas de terahercios tienen frecuencias más altas que las microondas y más bajas que la luz infrarroja y visible. Donde la luz óptica está bloqueada por la mayoría de los materiales, las ondas de terahercios pueden atravesarlas directamente, similar a las microondas. Si fueran convertidos en láseres, ondas de terahercios pueden permitir "la visión de rayos T, "con la capacidad de ver a través de la ropa, portadas de libros, y otros materiales delgados. Esta tecnología podría producir imágenes de mayor resolución que las microondas, y ser mucho más seguro que los rayos X.

La razón por la que no vemos máquinas de rayos T en, por ejemplo, líneas de seguridad del aeropuerto e instalaciones de imágenes médicas es que la producción de radiación de terahercios requiere una gran cantidad de dispositivos o configuraciones voluminosas que producen radiación de terahercios en una sola frecuencia; no son muy útiles, dado que se requiere una amplia gama de frecuencias para penetrar varios materiales.

Ahora los investigadores del MIT, Universidad Harvard, y el Ejército de los EE. UU. han construido un dispositivo compacto, del tamaño de una caja de zapatos, que produce un láser de terahercios cuya frecuencia pueden sintonizar en un amplio rango. El dispositivo está construido a partir de comerciales, piezas listas para usar y está diseñado para generar ondas de terahercios al hacer girar la energía de las moléculas en óxido nitroso, o, como se le conoce más comúnmente, gas de la risa.

Steven Johnson, profesor de matemáticas en el MIT, dice que además de la visión de rayos T, Las ondas de terahercios se pueden utilizar como una forma de comunicación inalámbrica, transportar información en un ancho de banda mayor que el radar, por ejemplo, y hacerlo a través de distancias que los científicos ahora pueden sintonizar utilizando el dispositivo del grupo.

"Al sintonizar la frecuencia de terahercios, puede elegir qué tan lejos pueden viajar las ondas a través del aire antes de ser absorbidas, de metros a kilómetros, lo que brinda un control preciso sobre quién puede 'escuchar' sus comunicaciones de terahercios o 'ver' su radar de terahercios, "Dice Johnson." Al igual que cambiar el dial de la radio, la capacidad de sintonizar fácilmente una fuente de terahercios es crucial para abrir nuevas aplicaciones en las comunicaciones inalámbricas, Radar, y espectroscopia ".

Johnson y sus colegas han publicado sus resultados en la revista Ciencias . Los coautores incluyen el postdoctorado del MIT Fan Wang, junto con Paul Chevalier, Arman Armizhan, Marco Piccardo, y Federico Capasso de la Universidad de Harvard, y Henry Everitt del Centro de Misiles y Aviación del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de los EE. UU.

Sala de respiración molecular

Desde la década de 1970, Los científicos han experimentado con la generación de ondas de terahercios utilizando láseres de gas molecular, configuraciones en las que se dispara un láser infrarrojo de alta potencia en un tubo grande lleno de gas (típicamente fluoruro de metilo) cuyas moléculas reaccionan vibrando y finalmente rotando. Las moléculas en rotación pueden saltar de un nivel de energía al siguiente, cuya diferencia se emite como una especie de energía sobrante, en forma de fotón en el rango de terahercios. A medida que se acumulan más fotones en la cavidad, producen un láser de terahercios.

La mejora del diseño de estos láseres de gas se ha visto obstaculizada por modelos teóricos poco fiables, dicen los investigadores. En pequeñas cavidades a altas presiones de gas, los modelos predijeron que, más allá de cierta presión, las moléculas estarían demasiado "apretadas" para girar y emitir ondas de terahercios. En parte por esta razón, Los láseres de gas de terahercios solían utilizar cavidades de metros de largo y láseres infrarrojos grandes.

Sin embargo, en la década de 1980, Everitt descubrió que podía producir ondas de terahercios en su laboratorio utilizando un láser de gas que era mucho más pequeño que los dispositivos tradicionales. a presiones mucho más altas de lo que los modelos dijeron que era posible. Esta discrepancia nunca se explicó completamente, y el trabajo con láseres de gas de terahercios quedó en el camino a favor de otros enfoques.

Hace unos pocos años, Everitt mencionó este misterio teórico a Johnson cuando los dos colaboraban en otro trabajo como parte del Instituto de Nanotecnologías de Soldados del MIT. Junto con Everitt, Johnson y Wang aceptaron el desafío, y finalmente formuló una nueva teoría matemática para describir el comportamiento de un gas en una cavidad de láser de gas molecular. La teoría también explicó con éxito cómo se podrían emitir ondas de terahercios, incluso desde muy pequeño, cavidades de alta presión.

Johnson dice que si bien las moléculas de gas pueden vibrar a múltiples frecuencias y velocidades de rotación en respuesta a una bomba de infrarrojos, las teorías anteriores descartaban muchos de estos estados vibratorios y asumían, en cambio, que un puñado de vibraciones era lo que en última instancia importaba para producir una onda de terahercios. Si una cavidad fuera demasiado pequeña, las teorías anteriores sugirieron que las moléculas que vibran en respuesta a un láser infrarrojo entrante colisionarían más a menudo entre sí, liberando su energía en lugar de acumularla más para girar y producir terahercios.

En lugar de, el nuevo modelo rastreó miles de estados vibratorios y rotacionales relevantes entre millones de grupos de moléculas dentro de una sola cavidad, usando nuevos trucos computacionales para hacer que un problema tan grande sea manejable en una computadora portátil. Luego analizó cómo esas moléculas reaccionarían a la luz infrarroja entrante, dependiendo de su posición y dirección dentro de la cavidad.

"Descubrimos que cuando se incluyen todos estos otros estados vibratorios que la gente ha estado arrojando, te dan un amortiguador, "Dice Johnson." En modelos más simples, las moléculas están girando, pero cuando chocan contra otras moléculas lo pierden todo. Una vez que incluya todos estos otros estados, eso ya no pasa. Estas colisiones pueden transferir energía a otros estados vibratorios, y de alguna manera te dan más espacio para respirar para seguir girando y seguir generando ondas de terahercios ".

Risa, marcado

Una vez que el equipo descubrió que su nuevo modelo predijo con precisión lo que Everitt observó hace décadas, colaboraron con el grupo de Capasso en Harvard para diseñar un nuevo tipo de generador compacto de terahercios combinando el modelo con nuevos gases y un nuevo tipo de láser infrarrojo.

Para la fuente de infrarrojos, los investigadores utilizaron un láser de cascada cuántica, o QCL, un tipo de láser más reciente que es compacto y también sintonizable.

"Puedes girar un dial, y cambia la frecuencia del láser de entrada, y la esperanza era que pudiéramos usar eso para cambiar la frecuencia de salida de los terahercios, "Dice Johnson.

Los investigadores se asociaron con Capasso, pionero en el desarrollo de QCL, que proporcionó un láser que producía un rango de potencia que su teoría predijo que funcionaría con una cavidad del tamaño de una pluma (aproximadamente 1/1, 000 del tamaño de una cavidad convencional). Luego, los investigadores buscaron un gas para hacer girar.

El equipo buscó en bibliotecas de gases para identificar aquellos que se sabía que giraban de cierta manera en respuesta a la luz infrarroja. eventualmente aterrizando en óxido nitroso, o gas hilarante, como candidato ideal y accesible para su experimento.

Pidieron óxido nitroso de laboratorio, que bombearon en una cavidad del tamaño de un bolígrafo. Cuando enviaron luz infrarroja desde el QCL a la cavidad, descubrieron que podían producir un láser de terahercios. Mientras afinaban el QCL, la frecuencia de las ondas de terahercios también cambió, en una amplia gama.

"Estas demostraciones confirman el concepto universal de una fuente de láser molecular de terahercios que se puede sintonizar ampliamente en todos sus estados de rotación cuando se bombea mediante un QCL sintonizable continuamente, "Dice Wang.

Desde estos experimentos iniciales, los investigadores han ampliado su modelo matemático para incluir una variedad de otras moléculas de gas, como monóxido de carbono y amoniaco, proporcionar a los científicos un menú de diferentes opciones de generación de terahercios con diferentes frecuencias y rangos de sintonización, emparejado con un QCL adaptado a cada gas. Las herramientas teóricas del grupo también permiten a los científicos adaptar el diseño de la cavidad a diferentes aplicaciones. Ahora están empujando hacia haces más enfocados y poderes más altos, con desarrollo comercial en el horizonte.

Johnson dice que los científicos pueden consultar el modelo matemático del grupo para diseñar nuevos, láseres compactos y sintonizables de terahercios, utilizando otros gases y parámetros experimentales.

"Estos láseres de gas se consideraron durante mucho tiempo tecnología antigua, y la gente asumió que eran enormes, de baja potencia cosas incontables, por lo que buscaron otras fuentes de terahercios, "Dice Johnson." Ahora decimos que pueden ser pequeños, ajustable, y mucho más eficiente. Podrías meter esto en tu mochila, o en su vehículo para comunicación inalámbrica o imágenes de alta resolución. Porque no quieres un ciclotrón en tu coche ".