Καινοτόμο λέιζερ «terahertz» υπόσχεται επανάσταση σε Ιατρική και ασφάλεια

Από το υπέρυθρο μέχρι το υπέρυθρο, η τεχνολογία του λέιζερ έχει ήδη κατακτήσει μεγάλο μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος –όχι όμως όλο. Τώρα, ένα λέιζερ που εκπέμπει ακτινοβολία terahertz υπόσχεται να καλύψει ένα σημαντικό κενό και να αξιοποιηθεί σε τεχνολογίες ιατρικής απεικόνισης και ανιχνευτές παράνομων φορτίων σε τελωνεία και αεροδρόμια.

Η ακτινοβολία terahertz καλύπτει μια ζώνη του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος ανάμεσα στο υπέρυθρο φως και τα μικροκύματα –παίρνει το όνομά της από τη συχνότητα του φωτός, που φτάνει τα τρισεκατομμύρια κύκλους το δευτερόλεπτο. Μπορεί να διαπερνά αδιαφανή υλικά όπως το ανθρώπινο σώμα ή τα τοιχώματα ενός ύποπτου φορτηγού, ή ακόμα και να ταυτοποιεί συγκεκριμένες ουσίες από τη φασματική υπογραφή τους.

«Όχι μόνο μπορούμε να δούμε αντικείμενα που κρύβονται πίσω από οπτικά αδιαφανή υλικά, αλλά και να αναγνωρίσουμε τη σύστασή τους» λέει ο Κινγκ Χου του MIΤ, επικεφαλής της μελέτης που δημοσιεύεται στο Nature Photonics.

Μέχρι σήμερα, η τεχνολογία terahertz παραμένει εν πολλοίς αναξιοποίητη λόγω έλλειψης πηγών ακτινοβολίας σε αυτή τη ζώνη του φάσματος. Το πρώτο λέιζερ terahertz που βασίζεται σε τσιπ (λέιζερ στερεάς κατάστασης) εφευρέθηκε το 2002, ήταν όμως πρακτικά δύσκολο να χρησιμοποιηθεί επειδή λειτουργούσε μόνο σε θερμοκρασίες κάτω από τους -73 βαθμούς Κελσίου.

Το λέιζερ της νέας μελέτης λειτουργεί στους -23 βαθμούς Κελσίου, η οποία μπορεί να επιτευχθεί ακόμα και με φορητές συσκευές ψύξης.

Κβαντικά φρεάτια

Όπως συμβαίνει με όλα τα λέιζερ στερεάς κατάστασης, το νέο τσιπ βασίζεται σε κράματα ημιαγωγών που περιέχουν «κβαντικά φρεάτια». Όταν ένα ηλεκτρόνιο πέσει μέσα σε ένα τέτοιο φρεάτιο, εκπέμπει ακτινοβολία σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος που εξαρτάται από τους ημιαγωγούς του τσιπ.

Για παράδειγμα, τα λέιζερ που βασίζονται στο νιτρίδιο του γαλλίου εκπέμπουν μπλε φως ενώ τα λέιζερ αρσενικούχου γαλλίου δίνουν κόκκινο.

Το πρόβλημα είναι ότι κανένα κράμα ημιαγωγών δεν εκπέμπει φωτόνια στο φάσμα terahertz. Η λύση είναι η χρήση πολλαπλών στρωμάτων ημιαγωγών, τα οποία αναγκάζουν τα ηλεκτρόνια να μεταπηδούν από το ένα στρώμα στο επόμενο. Τα πρώτα λέιζερ terahertz περιείχαν εκατοντάδες τέτοια στρώματα, έπρεπε όμως να ψύχονται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, διαφορετικά τα ηλεκτρόνια θα «διέρρεαν» από το πρώτο στρώμα στο τελευταίο χωρίς να περνούν από τα ενδιάμεσα.

Στο νέο λέιζερ, το πάχος των επιμέρους στρωμάτων έχει αυξηθεί. «Χρησιμοποιήσαμε ένα ψηλότερο εμπόδιο για να εμποδίσουμε τη διαρροή, και αυτό αποδείχτηκε κλειδί για το επίτευγμά μας» εξηγεί ο Χου.

Ελπίζει μάλιστα ότι η τελειοποίηση της τεχνικής θα επιτρέψει τελικά την ανάπτυξη λέιζερ terahertz που λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου.

Δεν είναι δύσκολο πάντως να δημιουργήσει κανείς έναν ανιχνευτή terahertz βασισμένο στο τσιπ της ομάδας του Χου –το μόνο που απαιτείται είναι μια φορητή συσκευή ψύξης και ένας ανιχνευτής.

Η νέα τεχνολογία θα επέτρεπε για παράδειγμα την ανίχνευση καρκίνων του δέρματος χωρίς ανάγκη βιοψίας, καθώς τα καρκινικά κύτταρα εμφανίζουν «δραματικές διαφορές» στο φάσμα terahertz σε σχέση με τα υγιή κύτταρα, λέει ο Χου.

Μια άλλη εφαρμογή μπορεί να είναι η ανίχνευση εκρηκτικών, ναρκωτικών και άλλων ουσιών –όπως επισημαίνει ο Χου, ουσίες όπως η ηρωίνη, η μεθαμφεταμίνη και το TNT δίνουν χαρακτηριστικές φασματικές υπογραφές στο φάσμα της ακτινοβολίας terahertz.

Με άλλα λόγια, οι ανιχνευτές αυτού του είδους μπορούν όχι μόνο να εντοπίσουν κρυμμένα αντικείμενα, αλλά και να προσδιορίσουν για τι υλικό πρόκειται.