Binnen de elektromagnetische middenweg tussen microgolven en zichtbaar licht ligt terahertz-straling, en de belofte van "T-ray vision."

Terahertz-golven hebben hogere frequenties dan microgolven en lager dan infrarood en zichtbaar licht. Waar optisch licht door de meeste materialen wordt geblokkeerd, terahertz-golven kunnen er recht doorheen gaan, vergelijkbaar met magnetrons. Als ze werden omgevormd tot lasers, terahertz-golven kunnen "T-ray vision, "met het vermogen om door kleding heen te kijken, boeken kaften, en andere dunne materialen. Een dergelijke technologie kan scherpe, beelden met een hogere resolutie dan microgolven, en veel veiliger zijn dan röntgenstralen.

De reden dat we geen T-ray-machines zien, bijvoorbeeld, luchthavenbeveiligingslijnen en medische beeldvormingsfaciliteiten is dat het produceren van terahertz-straling zeer grote, omvangrijke opstellingen of apparaten die terahertz-straling op een enkele frequentie produceren - niet erg handig, aangezien een breed frequentiebereik nodig is om door verschillende materialen te dringen.

Nu onderzoekers van MIT, Harvard universiteit, en het Amerikaanse leger hebben een compact apparaat gebouwd, de grootte van een schoenendoos, die een terahertz-laser produceert waarvan ze de frequentie over een groot bereik kunnen afstemmen. Het apparaat is gemaakt van commerciële, kant-en-klare onderdelen en is ontworpen om terahertz-golven te genereren door de energie van moleculen in lachgas op te drijven, of, zoals het meer algemeen bekend is, lachgas.

Steven Johnson, hoogleraar wiskunde aan het MIT, zegt dat naast T-ray vision, terahertz-golven kunnen worden gebruikt als een vorm van draadloze communicatie, informatie vervoeren met een hogere bandbreedte dan radar, bijvoorbeeld, en dit over afstanden die wetenschappers nu kunnen afstemmen met behulp van het apparaat van de groep.

"Door de terahertz-frequentie af te stemmen, je kunt kiezen hoe ver de golven door de lucht kunnen reizen voordat ze worden geabsorbeerd, van meter naar kilometer, die nauwkeurige controle geeft over wie uw terahertz-communicatie kan 'horen' of uw terahertz-radar kan 'zien', "zegt Johnson. "Net zoals het veranderen van de wijzerplaat op je radio, de mogelijkheid om eenvoudig een terahertz-bron af te stemmen is cruciaal voor het openen van nieuwe toepassingen in draadloze communicatie, radar, en spectroscopie."

Johnson en zijn collega's hebben hun resultaten in het tijdschrift gepubliceerd Wetenschap . Co-auteurs zijn onder meer MIT-postdoc Fan Wang, samen met Paul Chevalier, Arman Armizhan, Marco Piccardo, en Federico Capasso van de universiteit van Harvard, en Henry Everitt van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command Aviation and Missile Center.

Moleculaire ademruimte

Sinds de jaren zeventig, wetenschappers hebben geëxperimenteerd met het genereren van terahertz-golven met behulp van moleculaire gaslasers - opstellingen waarin een krachtige infraroodlaser in een grote buis wordt geschoten die is gevuld met gas (meestal methylfluoride) waarvan de moleculen reageren door te trillen en uiteindelijk te roteren. De roterende moleculen kunnen van het ene energieniveau naar het andere springen, waarvan het verschil wordt uitgestoten als een soort overgebleven energie, in de vorm van een foton in het terahertz-bereik. Naarmate meer fotonen zich ophopen in de holte, ze produceren een terahertz-laser.

Het verbeteren van het ontwerp van deze gaslasers werd bemoeilijkt door onbetrouwbare theoretische modellen, zeggen de onderzoekers. In kleine holtes bij hoge gasdrukken, de modellen voorspelden dat, boven een bepaalde druk, de moleculen zouden te "krap" zijn om te draaien en terahertz-golven uit te zenden. Mede om deze reden, terahertz-gaslasers gebruikten meestal meterslange holtes en grote infraroodlasers.

Echter, in 1980, Everitt ontdekte dat hij in zijn laboratorium terahertz-golven kon produceren met een gaslaser die veel kleiner was dan traditionele apparaten, bij drukken die veel hoger waren dan de modellen zeiden dat mogelijk was. Deze discrepantie werd nooit volledig verklaard, en het werk aan terahertz-gaslasers viel buiten de boot ten gunste van andere benaderingen.

Een paar jaar geleden, Everitt noemde dit theoretische mysterie aan Johnson toen de twee samenwerkten aan ander werk als onderdeel van MIT's Institute for Soldier Nanotechnologies. Samen met Evert, Johnson en Wang gingen de uitdaging aan, en formuleerde uiteindelijk een nieuwe wiskundige theorie om het gedrag van een gas in een holte van een moleculaire gaslaser te beschrijven. De theorie verklaarde ook met succes hoe terahertz-golven konden worden uitgezonden, zelfs van heel klein, hogedruk holtes.

Johnson zegt dat terwijl gasmoleculen kunnen trillen met meerdere frequenties en rotatiesnelheden als reactie op een infraroodpomp, eerdere theorieën hebben veel van deze trillingstoestanden buiten beschouwing gelaten en in plaats daarvan aangenomen dat een handvol trillingen uiteindelijk van belang was bij het produceren van een terahertz-golf. Als een holte te klein zou zijn, eerdere theorieën suggereerden dat moleculen die trillen als reactie op een inkomende infraroodlaser vaker met elkaar in botsing zouden komen, het vrijgeven van hun energie in plaats van het verder op te bouwen om te draaien en terahertz te produceren.

In plaats daarvan, het nieuwe model volgde duizenden relevante vibratie- en rotatietoestanden tussen miljoenen groepen moleculen in een enkele holte, nieuwe computationele trucs gebruiken om zo'n groot probleem op een laptop hanteerbaar te maken. Vervolgens analyseerde het hoe die moleculen zouden reageren op binnenkomend infrarood licht, afhankelijk van hun positie en richting in de holte.

"We ontdekten dat wanneer je al deze andere trillingstoestanden meetelt die mensen hadden weggegooid, ze geven je een buffer, "zegt Johnson. "In eenvoudigere modellen, de moleculen draaien, maar als ze tegen andere moleculen botsen, verliezen ze alles. Zodra u al deze andere staten opneemt, dat gebeurt niet meer. Deze botsingen kunnen energie overbrengen naar andere trillingstoestanden, en geeft je meer ademruimte om te blijven draaien en terahertz-golven te blijven maken."

Lachend, gebeld

Toen het team ontdekte dat hun nieuwe model nauwkeurig voorspelde wat Everitt decennia geleden observeerde, ze werkten samen met Capasso's groep aan Harvard om een ​​nieuw type compacte terahertz-generator te ontwerpen door het model te combineren met nieuwe gassen en een nieuw type infraroodlaser.

Voor de infraroodbron gebruikten de onderzoekers een kwantumcascadelaser, of QCL - een recenter type laser dat compact en ook afstembaar is.

"Je kunt aan een knop draaien, en het verandert de frequentie van de invoerlaser, en de hoop was dat we dat konden gebruiken om de frequentie van de terahertz die naar buiten komt te veranderen, ' zegt Johnson.

De onderzoekers werkten samen met Capasso, een pionier in de ontwikkeling van QCL's, die een laser leverden die een vermogensbereik produceerde waarvan hun theorie voorspelde dat het zou werken met een holte ter grootte van een pen (ongeveer 1/1, 000 de grootte van een conventionele holte). De onderzoekers zochten vervolgens naar een gas om op te spinnen.

Het team doorzocht bibliotheken met gassen om de gassen te identificeren waarvan bekend was dat ze op een bepaalde manier roteren als reactie op infrarood licht. uiteindelijk landen op lachgas, of lachgas, als ideale en toegankelijke kandidaat voor hun experiment.

Ze bestelden lachgas van laboratoriumkwaliteit, die ze in een holte ter grootte van een pen pompten. Toen ze infrarood licht van de QCL de holte in stuurden, ze ontdekten dat ze een terahertz-laser konden produceren. Terwijl ze de QCL afstemden, de frequentie van terahertz-golven verschoof ook, over een breed scala.

"Deze demonstraties bevestigen het universele concept van een terahertz moleculaire laserbron die in grote lijnen kan worden afgesteld over zijn volledige rotatietoestanden wanneer hij wordt gepompt door een continu afstembare QCL, "zegt Wang.

Sinds deze eerste experimenten, de onderzoekers hebben hun wiskundig model uitgebreid met een verscheidenheid aan andere gasmoleculen, zoals koolmonoxide en ammoniak, wetenschappers een menu bieden met verschillende terahertz-generatie-opties met verschillende frequenties en afstemmingsbereiken, gekoppeld aan een QCL die is afgestemd op elk gas. De theoretische tools van de groep stellen wetenschappers ook in staat om het ontwerp van de holte aan te passen aan verschillende toepassingen. Ze duwen nu naar meer gerichte stralen en hogere krachten, met commerciële ontwikkeling in het verschiet.

Johnson zegt dat wetenschappers het wiskundige model van de groep kunnen gebruiken om nieuwe, compacte en afstembare terahertz-lasers, met behulp van andere gassen en experimentele parameters.

"Deze gaslasers werden lange tijd gezien als oude technologie, en mensen gingen ervan uit dat deze enorm waren, laag vermogen, niet-afstembare dingen, dus keken ze naar andere terahertz-bronnen, " zegt Johnson. "Nu zeggen we dat ze klein kunnen zijn, afstembaar, en veel efficiënter. Je zou dit in je rugzak kunnen passen, of in uw voertuig voor draadloze communicatie of beeldvorming met hoge resolutie. Omdat je geen cyclotron in je auto wilt."