Cercetătorii creează un laser portabil Terahertz pentru o senzație puternică și imagistică

O imagine cu microscop electronic cu scanare (SEM) a unui dispozitiv laser cu cascadă curativă terahertz (QCL). Credit: Amabilitatea savanților

Instrumentul poate aduce capacități puternice de detectare și imagistică din laborator și în spitale, aeroporturi sau alte medii.

Cercetătorii de la cu și Universitatea din Waterloo au dezvoltat o versiune mobilă de mare putere a unui dispozitiv numit laser cu cascadă cuantică, care poate genera radiații terahertz în afara mediului de laborator. Laserul ar putea fi utilizat în aplicații precum detectarea cancerului de piele și detectarea explozivilor ascunși.

Până acum, generarea de radiații terahertz suficient de puternice pentru a efectua imagini în timp real și măsurători spectrale rapide necesita temperaturi cu mult sub 200 de kelvini (-100 grade) Fahrenheit) sau mai mic. Aceste temperaturi pot fi atinse numai cu dispozitive mari care limitează utilizarea tehnologiei într-un mediu de laborator. Într-o scrisoare publicată la 2 noiembrie 2020, la Fotonica naturii, Profesorul onorific MIT de inginerie electrică și informatică Qing Hu și colegii săi raportează că laserul lor cu cascadă cuantică terahertz poate funcționa la temperaturi de până la 250 K (-10 F), ceea ce înseamnă că este necesar un singur agent de răcire compact portabil.

Laser portabil Terahertz

În fotografia din dreapta, puteți vedea o mică bucată de laser cu un răcitor termoelectric într-un bloc lângă cana de cafea. Fundalul este un crio-cooler grozav. În stânga, puteți vedea micul terahertz QCL. Credit: Amabilitatea savanților

Laserele cu cascadă cuantică Terahertz, mici dispozitive cu semiconductor încorporate în cip, au fost inventate pentru prima dată în 2002, dar adaptarea lor pentru a funcționa cu peste 200 K s-a dovedit a fi atât de dificilă încât mulți din domeniu au speculat că a existat un motiv fizic fundamental care l-a împiedicat, spune Hu.

„Cu o temperatură de funcționare ridicată, putem pune în cele din urmă acest lucru într-un sistem mobil compact și să scoatem această tehnologie avansată din laborator”, spune Hu. “Acest lucru va permite terahertzi portabili și sisteme de imagistică spectrală care vor avea un impact imediat asupra unei game largi de aplicații în medicină, biochimie, securitate și alte domenii.”

Hu a început cercetările privind frecvențele terahertzului – o bandă de spectru electromagnetic între microunde și gama de infraroșii – în 1991.

„Mi-au trebuit 11 ani și trei generații de studenți să le facem proprii [terahertz quantum cascade laser] în 2002 ”, spune el. De atunci, temperaturile maxime de funcționare care au limitat utilizarea radiației terahertz au rămas cu mult sub temperatura camerei. Maximul de 250 K raportat în acest document reprezintă un salt semnificativ față de precedentul maxim de 210 K, care a fost stabilit în 2019, depășind un record anterior din 2012 de 200 K care rămăsese intact timp de șapte ani.

Laserele, care măsoară doar câțiva milimetri în lungime și sunt mai subțiri decât părul uman, sunt structuri cu sondă cuantică personalizate și bariere personalizate. În interiorul structurii, electronii „în cascadă” pe un fel de scară, eliberând o particulă de lumină sau foton, la fiecare pas.

O inovație importantă descrisă în Fotonica naturii hârtia dublează înălțimea barierelor din interiorul laserului pentru a preveni scurgerea electronilor, fenomen care tinde să crească la temperaturi ridicate.

„Ne-am dat seama că scurgerea electronică supraobstrucționată a fost ucigașul”, provocând defectarea sistemului dacă nu este răcit cu un criostat, spune Hu. “Așadar, am stabilit o barieră mai mare pentru a preveni scurgerile și acest lucru sa dovedit a fi esențial pentru progres.”

Anterior, barierele mai mari au fost explorate sporadic, dar au dat rezultate inferioare, spune Hu. Opinia dominantă a fost că împrăștierea electronică crescută asociată cu barierele superioare a fost dăunătoare și, prin urmare, ar trebui evitate barierele mai mari.

Echipa de cercetare a dezvoltat parametri exacți pentru structura centurii pentru obstacole lungi și o schemă de optimizare conceptuală nouă pentru model.

Această inovație a fost însoțită de o „schemă de fonon direct” care menține funcționarea laserului printr-o configurație în care nivelurile mai scăzute de lene ale fiecărui modul, sau treptele treptelor structurii, depopulează rapid electroni prin fonon (sau o unitate de energie vibratoare) dispersie într-o stare de bază, care servește apoi ca injector de electroni la nivelul superior al etapei următoare și procesul se repetă. O astfel de dispunere a electronilor în sistem este esențială pentru a se produce lenea, așa cum a fost prezis pentru prima dată de Albert Einstein în 1916.

„Acestea sunt structuri foarte complexe, cu aproape 15.000 de interfețe între puțuri cuantice și bariere, dintre care jumătate nu sunt nici măcar șapte straturi atomice groase”, spune co-autorul Zbig Wasilewski, profesor de inginerie electrică și informatică și catedra de nanotehnologie a Universității Waterloo. “Calitatea și reproductibilitatea acestor interfețe sunt esențiale pentru performanța laserelor terahertz. Ne-am dorit tot ce este mai bun în ceea ce privește capacitățile de creștere epitaxială ale razelor moleculare – o contribuție cheie a echipei noastre de cercetare – împreună cu expertiza colaboratorilor noștri MIT în modelare și fabricarea de echipamente cuantice, pentru a realiza progrese atât de semnificative în acest provocator sector al fotonicii THz. “

Într-un cadru medical, noul sistem portabil, care include o cameră compactă și un detector și poate funcționa oriunde cu o priză electrică, poate oferi imagini în timp real în timpul screeningului regulat al cancerului de piele sau chiar în timpul procedurilor chirurgicale. pentru indepartarea tesutului cancerului de piele. Celulele canceroase apar „foarte dramatic în terahertz”, deoarece au concentrații mai mari de apă și sânge decât celulele normale, spune Hu.

Tehnologia poate fi aplicată și în multe industrii în care detectarea obiectelor străine dintr-un produs este necesară pentru a asigura siguranța și calitatea acestuia.

Detectarea gazelor, drogurilor și explozivilor poate fi deosebit de sofisticată cu utilizarea radiației terahertz. De exemplu, compuși precum hidroxidul, un agent care diminuează ozonul, au o „amprentă digitală” spectrală specială în furia frecvenței terahertzului, la fel ca medicamentele, inclusiv metamfetamina și heroina, și explozivii, inclusiv TNT.

„Nu numai că putem vedea obiecte prin materiale optic întunecate, dar putem identifica și substanțe”, spune Hu.

Benjamin Williams, profesor la Departamentul de Inginerie Electrică și Calculatoare de la Universitatea din California, Los Angeles, spune că noile cercetări deschid calea pentru progresele viitoare. “Lucrarea MIT / Waterloo este importantă deoarece au demonstrat funcționarea la 250 K. Deși nu este la temperatura camerei, acest rezultat arată că există șanse reale de îmbunătățiri ulterioare”, spune Williams. „Cu alte cuvinte,„ jocul este încă în acțiune ”pentru toate grupurile care lucrează în domeniu.”

Hu spune că vede „o cale clară” spre scopul de a putea genera terahertz puternic fără a fi nevoie de un cooler.

„Folosirea schemei fonice directe și a barierelor mai mari este calea de urmat”, spune el. „În sfârșit văd lumina de la capătul tunelului când ajungem la temperatura camerei.”

Referință: „Sisteme laser portabile cu terahertz de mare putere” de Ali Khalatpour, Andrew K. Paulsen, Chris Deimert, Zbig R. Wasilewski și Qing Hu, 2 noiembrie 2020, Fotonica naturii.
DOI: 10.1038 / s41566-020-00707-5

Această cercetare a fost finanțată de NASA și Consiliul de cercetare naturală și inginerie din Canada.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.