Wetenschap
Krediet:CC0 Publiek Domein
Onderzoekers van het MIT en de Universiteit van Waterloo hebben een krachtige, draagbare versie van een apparaat dat een kwantumcascadelaser wordt genoemd, die terahertz-straling kan genereren buiten een laboratoriumomgeving. De laser kan mogelijk worden gebruikt in toepassingen zoals het opsporen van huidkanker en het opsporen van verborgen explosieven.
Tot nu, generatie van terahertz-straling krachtig genoeg om real-time beeldvorming en snelle spectrale metingen uit te voeren, vereiste temperaturen ver onder 200 Kelvin (-100 graden Fahrenheit) of lager. Deze temperaturen konden alleen worden bereikt met omvangrijke apparatuur die het gebruik van de technologie tot een laboratoriumomgeving beperkte. In een paper gepubliceerd in Natuurfotonica , MIT Distinguished Professor of Electrical Engineering and Computer Sciences Qing Hu en zijn collega's melden dat hun terahertz-kwantumcascadelaser kan functioneren bij temperaturen tot 250 K (-10 graden Fahrenheit), wat betekent dat er alleen een compacte draagbare koeler nodig is.
Terahertz kwantum cascade lasers, kleine chip-ingebedde halfgeleiderlaserapparaten, werden voor het eerst uitgevonden in 2002, maar het aanpassen ervan om ver boven 200 K te werken bleek zo moeilijk te zijn dat veel mensen in het veld speculeerden dat er een fundamentele fysieke reden was die dit verhinderde, zegt Hu.
"Met een hoge bedrijfstemperatuur, we kunnen dit eindelijk in een compact draagbaar systeem stoppen en deze baanbrekende technologie uit het laboratorium halen, Hu zegt. "Dit zal draagbare terahertz-beeldvormings- en spectrale systemen mogelijk maken die een onmiddellijke impact zullen hebben op brede toepassingen in de geneeskunde, biochemie, veiligheid, en andere gebieden."
Hu begon in 1991 met onderzoek naar de terahertz-frequenties - een band van het elektromagnetische spectrum tussen microgolven en het infraroodbereik.
"Het kostte me 11 jaar en drie generaties studenten om in 2002 onze eigen [terahertz-kwantumcascadelaser] te maken, "zegt hij. Sindsdien maximale bedrijfstemperaturen die het gebruik van terahertz-straling beperkten, bleven ruim onder kamertemperatuur. Het maximum van 250 K dat in dit artikel wordt vermeld, vertegenwoordigt een aanzienlijke sprong ten opzichte van het vorige maximum van 210 K, die in 2019 werd opgericht, het verslaan van een vorig record uit 2012 van 200 K dat zeven jaar onaangeroerd was gebleven.
de lasers, die slechts enkele millimeters lang zijn en dunner zijn dan een mensenhaar, zijn kwantumputstructuren met zorgvuldig op maat gemaakte putten en barrières. Binnen de structuur, elektronen "cascaderen" een soort trap af, het uitzenden van een lichtdeeltje, of foton, bij elke stap.
Een belangrijke innovatie beschreven in de Natuurfotonica papier was de verdubbeling van de hoogte van de barrières in de laser om lekkage van de elektronen te voorkomen, een fenomeen dat de neiging had om toe te nemen bij hoge temperaturen.
"We begrepen dat over-the-barrier elektronenlekkage de moordenaar was, " waardoor het systeem kapot gaat als het niet wordt gekoeld met een cryostaat, zegt Hu. "Dus, we plaatsen een hogere barrière om lekkage te voorkomen, en dit bleek de sleutel tot de doorbraak te zijn."
Eerder, sporadisch werden hogere barrières onderzocht, maar ze leverden inferieure resultaten op, zegt Hu. De heersende opvatting was dat verhoogde elektronenverstrooiing geassocieerd met de hogere barrières schadelijk was, en daarom moeten hogere drempels worden vermeden.
Het onderzoeksteam ontwikkelde de juiste parameters voor de bandstructuur voor hoge barrières en een conceptueel nieuw optimalisatieschema voor het ontwerp.
Deze innovatie ging gepaard met een "direct fonon-schema" dat ervoor zorgt dat de laser blijft werken via een configuratie waarin lagere laserniveaus van elke module, of treden van de trap van de structuur, worden snel ontvolkt van elektronen door fonon (of een eenheid van trillingsenergie) verstrooiing in een grondtoestand, die dan dient als de injector van elektronen naar het bovenste niveau van de volgende stap, en het proces herhaalt zich. Een dergelijke rangschikking van de elektronen in het systeem is essentieel voor het optreden van laserstraling, zoals Einstein het in 1916 voor het eerst voorzag.
"Dit zijn zeer complexe structuren met bijna 15, 000 interfaces tussen kwantumbronnen en barrières, waarvan de helft nog geen zeven atoomlagen dik is, " zegt co-auteur Zbig Wasilewski, hoogleraar elektrische en computertechniek en bijzonder leerstoel aan de Universiteit van Waterloo in nanotechnologie. "De kwaliteit en reproduceerbaarheid van deze interfaces zijn van cruciaal belang voor de prestaties van terahertz-lasers. Het vergde het beste van de capaciteiten voor epitaxiale groei van moleculaire bundels - de belangrijkste bijdrage van ons onderzoeksteam - samen met de expertise van onze MIT-medewerkers op het gebied van modellering en fabricage van kwantumapparaten, om zo'n belangrijke vooruitgang te boeken in deze uitdagende sector van THz-fotonica."
In een medische setting, het nieuwe draagbare systeem, die een compactcamera en detector bevat en overal kan werken met een stopcontact, zou realtime beeldvorming kunnen bieden tijdens reguliere screenings op huidkanker of zelfs tijdens chirurgische procedures om huidkankerweefsels weg te snijden. De kankercellen verschijnen "zeer dramatisch in terahertz" omdat ze hogere water- en bloedconcentraties hebben dan normale cellen, zegt Hu.
De technologie kan ook worden toegepast in veel industrieën waar de detectie van vreemde voorwerpen in een product noodzakelijk is om de veiligheid en kwaliteit ervan te garanderen.
Detectie van gassen, verdovende middelen, en explosieven kunnen bijzonder geavanceerd worden door het gebruik van terahertz-straling. Bijvoorbeeld, verbindingen zoals hydroxide, een ozonafbrekend middel, een speciale spectrale "vingerafdruk" hebben binnen de terahertz-frequentiewoede, net als drugs, waaronder methamfetamine en heroïne, en explosieven waaronder TNT.
"We kunnen niet alleen objecten zien door optisch ondoorzichtige materialen, maar we kunnen ook de stoffen identificeren, "zegt Hu.
Hu zegt dat hij "een duidelijk pad" ziet naar het doel om krachtige terahertz te kunnen genereren zonder een koeler nodig te hebben.
"Het gebruik van het directe fonon-schema en hogere barrières is de manier om vooruit te gaan, "zegt hij. "Ik kan eindelijk het licht aan het einde van de tunnel zien als we op kamertemperatuur zijn."
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com