Un equipo de investigación internacional de Alemania, Italia, y el Reino Unido ha desarrollado un componente fotónico clave para el rango espectral de terahercios. Mezclando resonancias electrónicas en nanoestructuras semiconductoras con el campo de fotones de microrresonadores, ellos diseñaron un espejo manchado que se decolora más fácilmente que nunca y podría hacer que los láseres de terahercios sean ultrarrápidos. Los resultados se publican en la edición actual de Comunicaciones de la naturaleza .

La radiación de terahercios, a menudo denominada rayos T, marca una de las últimas fronteras de la fotónica. Ubicado en la brecha espectral entre la electrónica de microondas y la óptica infrarroja, Los rayos T ofrecen un enorme potencial de aplicación, pero han sido costosos de generar. Las primeras aplicaciones de terahercios ampliamente disponibles van desde escáneres corporales en aeropuertos y detección rápida de gases hasta comunicaciones ultrarrápidas. Muchas más ideas podrían llegar al mercado si se pudieran generar pulsos ultracortos directamente en los llamados láseres de cascada cuántica. tipos especiales de accionamiento eléctrico, láseres compactos de terahercios. Estas fuentes normalmente operan en modo de onda continua, pero se ha predicho ampliamente que podrían cambiar a funcionamiento pulsado si se incorporara un elemento fotónico clave en el láser, el llamado absorbente saturable.

Un absorbente saturable funciona como un espejo empañado que se vuelve transparente transitoriamente si la luz incidente se vuelve demasiado brillante. Si toda la potencia dentro de un láser se concentra en un pulso corto, fácilmente saturaría el absorbedor y sufriría menos pérdidas que un rayo de onda continua. Estos elementos están fácilmente disponibles en óptica, mientras que en el dominio de los terahercios solo han existido para una radiación de intensidad impracticable, no se puede lograr con láseres de cascada cuántica. Un consorcio europeo formado por los grupos de investigación de Miriam S. Vitiello, Pisa, Edmund Linfield, Leeds, y Rupert Huber, Universidad de Ratisbona, ahora han unido fuerzas para desarrollar una nueva clase de absorbentes saturables que operan a intensidades de saturación mucho más bajas.

Su novedosa idea se inspira en una estrategia muy conocida en la música:los resonadores. ¿De dónde obtiene un piano Steinway su sonido único? El secreto está menos en las cuerdas que en el cuerpo resonante. Aquí es donde se define el sonido exacto y su respuesta dinámica a una pulsación de tecla fuerte. "Básicamente, transferimos esta idea a la óptica de terahercios, "dice Jürgen Raab, autor principal del manuscrito. El grupo de Miriam Vitiello diseñó un conjunto microestructurado de un espejo de oro y una rejilla de oro que funcionan conjuntamente como un cuerpo resonante para la radiación de terahercios. Estas resonancias se pueden acoplar fuertemente con electrones que pueden saltar entre dos estados cuánticos definidos por una secuencia atómicamente precisa de nanoestructuras semiconductoras, diseñado y cultivado en el grupo de Edmund Linfield.

El pivote:el fuerte acoplamiento entre los electrones y la microcavidad de terahercios da como resultado una excitación de medio electrón, fotón de medio terahercio. Esta situación no solo da forma al "tono" de la resonancia, pero también cambia drásticamente la forma en que el sistema reacciona a una "pulsación de tecla fuerte, "correspondiente a un intenso pulso de terahercios. El grupo puso a prueba el nuevo Steinway de terahercios. En una instalación especialmente diseñada en Ratisbona, enfocaron un pulso ultracorto de terahercios en el absorbedor saturable y desarrollaron una cámara de cámara lenta extrema para seguir su dinámica de saturación en la escala de tiempo de femtosegundos, la millonésima parte de una mil millonésima de segundo.

El resultado asombroso:el absorbedor no solo fue mucho más fácil de saturar que la transición electrónica sola, en aproximadamente un orden de magnitud. También se satura más rápido que un solo ciclo de oscilación del pulso de terahercios, y el "tono" del resonador se transforma tan bien durante el proceso de saturación que esencialmente no queda absorción mientras se aplica el intenso pulso de THz. Estos son los mejores genes posibles de absorbentes saturables. Miriam Vitiello está convencida:"Ahora tenemos todos los componentes a mano para construir láseres de cascada cuántica ultrarrápidos de terahercios con absorbentes saturables".

Una fuente de este tipo podría ampliar drásticamente el alcance de la fotónica de terahercios. Superando la frecuencia de las computadoras modernas por un factor asombroso de 1000, Los pulsos ultracortos de terahercios podrían formar la columna vertebral de los revolucionarios enlaces de telecomunicaciones de próxima generación. Láseres compactos de cascada cuántica, emitiendo rayos T ultracortos, puede permitir también impulsar la analítica química y permitir una enorme variedad de aplicaciones en el diagnóstico y la medicina. Con los resultados actuales, se ha alcanzado un hito importante hacia estos audaces objetivos.