Láser portátil de terahercios de alta potencia

Los investigadores han desarrollado una versión portátil de alta potencia de un dispositivo llamado láser de cascada cuántica que puede generar radiación de terahercios fuera de un entorno de laboratorio. El láser podría usarse potencialmente en aplicaciones tales como la localización del cáncer de piel y la detección de explosivos ocultos.

Hasta ahora, la generación de radiación de terahercios lo suficientemente potente como para realizar imágenes en tiempo real y mediciones espectrales rápidas requería temperaturas muy por debajo de los 200 kelvin (-100 °F) o menos. Estas temperaturas solo se podían lograr con equipos voluminosos que limitaban el uso de la tecnología a un entorno de laboratorio. El láser de cascada cuántica de terahercios puede funcionar a temperaturas de hasta 250 K (-10 °F), lo que significa que solo se requiere un enfriador portátil compacto.

Los láseres, que miden solo unos pocos milímetros de longitud y son más delgados que un cabello humano, son estructuras de pozos cuánticos con pozos y barreras meticulosamente diseñados a medida. Dentro de la estructura, los electrones "caen en cascada" por una especie de escalera, emitiendo una partícula de luz, o fotón, en cada paso.

Una innovación importante fue la duplicación de la altura de las barreras dentro del láser para evitar la fuga de electrones, un fenómeno que tendía a aumentar a altas temperaturas. Anteriormente, las barreras más altas se exploraron esporádicamente pero arrojaron resultados inferiores. Los investigadores desarrollaron los parámetros correctos para la estructura de la banda para barreras altas y un esquema de optimización conceptualmente novedoso para el diseño.

Esta innovación se combinó con un esquema de fonones directos que mantiene el láser en funcionamiento a través de una configuración en la que los niveles inferiores de láser de cada módulo, o escalones de la escalera de la estructura, se despoblan rápidamente de electrones a través de fonones (o una unidad de energía vibratoria) que se dispersan en un estado fundamental, que luego sirve como inyector de electrones en el nivel superior del siguiente paso y el proceso se repite. Tal disposición de los electrones en el sistema es esencial para que ocurra el láser.

Hay cerca de 15.000 interfaces entre pozos cuánticos y barreras, la mitad de las cuales no tienen ni siquiera siete capas atómicas de espesor. La calidad y la reproducibilidad de estas interfaces son de vital importancia para el rendimiento de los láseres de terahercios.

En un entorno médico, el nuevo sistema portátil, que incluye una cámara compacta y un detector y puede funcionar en cualquier lugar con una toma de corriente, podría proporcionar imágenes en tiempo real durante las pruebas regulares de detección de cáncer de piel o incluso durante los procedimientos quirúrgicos para extirpar tejidos de cáncer de piel. Las células cancerosas aparecen dramáticamente en terahercios porque tienen concentraciones más altas de agua y sangre que las células normales.

La tecnología también podría aplicarse en muchas industrias donde la detección de objetos extraños dentro de un producto es necesaria para garantizar su seguridad y calidad. La detección de gases, drogas y explosivos podría volverse especialmente sofisticada con el uso de radiación de terahercios. Los compuestos como el hidróxido, un agente destructor del ozono, tienen una "huella digital" espectral especial dentro del rango de frecuencia de terahercios, al igual que las drogas, incluidas las metanfetaminas y la heroína, y los explosivos, incluido el TNT.