Láser terahercio portátil: dispositivo cuántico de cascada de alta potencia para imagen médica y seguridad

Investigadores han desarrollado una versión portátil de alta potencia de un dispositivo llamado láser cuántico de cascada que puede generar radiación terahercio fuera de un entorno de laboratorio. El láser podría usarse potencialmente en aplicaciones como localizar cáncer de piel y detectar explosivos ocultos.

Avance: operación a temperatura más alta

Hasta ahora, generar radiación terahercio lo bastante potente para imagen en tiempo real y mediciones espectrales rápidas requería temperaturas muy por debajo de 200 kelvin (-100 °F) o menores. Estas temperaturas solo se lograban con equipos voluminosos que limitaban el uso a laboratorio. El láser cuántico de cascada terahercio puede funcionar a temperaturas de hasta 250 K (-10 °F), significando que solo se requiere un enfriador portátil compacto.

Diseño de pozos cuánticos y barreras altas

Los láseres, de solo unos milímetros de longitud y más finos que un cabello humano, son estructuras de pozo cuántico con pozos y barreras meticulosamente diseñados. Dentro de la estructura, los electrones "cascada" por una especie de escalera, emitiendo una partícula de luz, o fotón, en cada escalón.

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

Esta innovación se combinó con un esquema de fonón directo que mantiene el láser operando mediante una configuración donde los niveles de láser inferiores de cada módulo, o escalones de la escalera, se despueblan rápidamente de electrones mediante dispersión de fonón (unidad de energía vibracional) a un estado fundamental, que luego sirve como inyector de electrones al nivel superior del siguiente escalón y el proceso se repite. Tal disposición de 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 siete capas atómicas de espesor. La calidad y reproducibilidad de estas interfaces son de importancia crítica para el rendimiento de láseres terahercio.

Aplicaciones médicas e industriales

En entorno médico, el nuevo sistema portátil —que incluye cámara compacta y detector y puede operar en cualquier lugar con enchufe eléctrico— podría proporcionar imagen en tiempo real durante cribados regulares de cáncer de piel o incluso durante procedimientos quirúrgicos para extirpar tejidos cancerosos. Las células cancerosas aparecen dramáticamente en terahercio porque tienen mayor concentración de agua y sangre que células normales.

La tecnología también podría aplicarse en muchas industrias donde la detección de objetos extraños dentro de un producto es necesaria para asegurar su seguridad y calidad. Detección de gases, drogas y explosivos podría volverse especialmente sofisticada con radiación terahercio. Compuestos como hidróxido, agente destructor de ozono, tienen una "huella dactilar" espectral especial en el rango de frecuencia terahercio, al igual que drogas incluyendo metanfetaminas y heroína, y explosivos incluyendo TNT.