El dispositivo podría permitir la «visión de rayos T» y una mejor comunicación inalámbrica.
Entre el punto medio electromagnético de las microondas y la luz visible se encuentra la radiación de terahercios, y la promesa de la «visión de rayos T».
Las ondas de terahercios tienen frecuencias superiores a las de las microondas e inferiores a las del infrarrojo y la luz visible. Mientras que la luz óptica es bloqueada por la mayoría de los materiales, las ondas de terahercios pueden atravesarlos directamente, de forma similar a las microondas. Si se convirtieran en láseres, las ondas de terahercios podrían permitir la «visión de rayos T», con la capacidad de ver a través de la ropa, las cubiertas de los libros, y otros materiales delgados. Esta tecnología podría producir imágenes nítidas y de mayor resolución que las microondas, y ser mucho más segura que los rayos X.
La razón por la que no vemos máquinas de rayos T en, por ejemplo, las filas de control de seguridad de los aeropuertos o en las instalaciones de diagnóstico por imagen médica es que producir radiación de terahercios requiere configuraciones o dispositivos muy grandes y voluminosos, muchos de ellos con funcionamiento a temperaturas ultrabajas, que producen radiación de terahercios a una única frecuencia, lo cual no resulta muy útil, dado que se necesita una amplia gama de frecuencias para penetrar en diversos materiales.
Ahora, investigadores del MIT, la Universidad de Harvard y el Ejército de EE. UU. han construido un dispositivo compacto, del tamaño de una caja de zapatos, que funciona a temperatura ambiente para producir un láser de terahercios cuya frecuencia pueden ajustar en un amplio rango. El dispositivo está construido con piezas comerciales y disponibles de inmediato, y está diseñado para generar ondas de terahercios mediante la excitación de la energía de las moléculas de óxido nitroso o, como se conoce más comúnmente, gas hilarante.
Steven Johnson, profesor de matemáticas del MIT, afirma que, además de la visión de rayos T, las ondas de terahercios pueden utilizarse como una forma de comunicación inalámbrica, transportando información a un ancho de banda superior al del radar, por ejemplo, y haciéndolo a distancias que los científicos ahora pueden ajustar mediante el dispositivo del grupo.
«Al ajustar la frecuencia de terahercios, se puede elegir hasta dónde pueden viajar las ondas a través del aire antes de ser absorbidas, desde metros hasta kilómetros, lo que proporciona un control preciso sobre quién puede “escuchar” sus comunicaciones de terahercios o “ver” su radar de terahercios», afirma Johnson. «Al igual que cambiar el dial de su radio, la capacidad de ajustar fácilmente una fuente de terahercios es fundamental para abrir nuevas aplicaciones en comunicaciones inalámbricas, radar y espectroscopia».
Johnson y sus colegas han publicado hoy sus resultados en la revista Science. Entre los coautores se encuentran el posdoctorado del MIT Fan Wang, junto con Paul Chevalier, Arman Amirzhan, Marco Piccardo y Federico Capasso, de la Universidad de Harvard, y Henry Everitt, del Centro de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU., Centro de Aviación y Misiles.
Espacio molecular para respirar
Desde la década de 1970, los científicos han experimentado con la generación de ondas de terahercios mediante láseres de gas molecular: configuraciones en las que un láser infrarrojo de alta potencia se dispara contra un gran tubo lleno de gas (normalmente fluoruro de metilo) cuyas moléculas reaccionan vibrando y, finalmente, rotando. Las moléculas en rotación pueden saltar de un nivel de energía al siguiente, y la diferencia entre ambos se emite como una especie de energía sobrante, en forma de fotón en el rango de los terahercios. A medida que se acumulan más fotones en la cavidad, producen un láser de terahercios.
Mejorar el diseño de estos láseres de gas se ha visto obstaculizado por modelos teóricos poco fiables, afirman los investigadores. En cavidades pequeñas a altas presiones de gas, los modelos predecían que, por encima de cierta presión, las moléculas estarían demasiado «apretadas» para girar y emitir ondas de terahercios. En parte por esta razón, los láseres de gas de terahercios solían utilizar cavidades de metros de longitud y grandes láseres infrarrojos.
Sin embargo, en la década de 1980, Everitt descubrió que podía producir ondas de terahercios en su laboratorio utilizando un láser de gas mucho más pequeño que los dispositivos tradicionales, a presiones muy superiores a las que los modelos afirmaban que era posible. Esta discrepancia nunca se explicó por completo, y el trabajo en láseres de gas de terahercios quedó relegado en favor de otros enfoques.
Hace unos años, Everitt mencionó este misterio teórico a Johnson cuando ambos colaboraban en otro trabajo como parte del Instituto de Nanotecnologías para Soldados del MIT. Junto con Everitt, Johnson y Wang asumieron el desafío y, finalmente, formularon una nueva teoría matemática para describir el comportamiento de un gas en la cavidad de un láser de gas molecular. La teoría también explicó con éxito cómo podían emitirse ondas de terahercios, incluso desde cavidades muy pequeñas y de alta presión.
Johnson afirma que, si bien las moléculas de gas pueden vibrar a múltiples frecuencias y velocidades de rotación en respuesta a un bombeo infrarrojo, las teorías anteriores descartaban muchos de estos estados vibracionales y suponían, en cambio, que unas pocas vibraciones eran las que realmente importaban para producir una onda de terahercios. Si una cavidad era demasiado pequeña, las teorías anteriores sugerían que las moléculas que vibraban en respuesta a un láser infrarrojo entrante chocarían con más frecuencia entre sí, liberando su energía en lugar de acumularla para seguir girando y producir terahercios.
En cambio, el nuevo modelo rastreó miles de estados vibracionales y rotacionales relevantes entre millones de grupos de moléculas dentro de una misma cavidad, utilizando nuevos trucos computacionales para que un problema tan grande fuera manejable en una computadora portátil. Después analizó cómo reaccionarían esas moléculas ante la luz infrarroja entrante, en función de su posición y dirección dentro de la cavidad.
«Descubrimos que, al incluir todos esos otros estados vibracionales que la gente había descartado, estos proporcionan un margen de amortiguación», afirma Johnson. «En los modelos más simples, las moléculas giran, pero cuando chocan con otras moléculas, pierden todo. Una vez que se incluyen todos esos otros estados, eso ya no ocurre. Estas colisiones pueden transferir energía a otros estados vibracionales y, en cierto modo, ofrecer más espacio para seguir girando y seguir generando ondas de terahercios».
Gas hilarante, potenciado
Una vez que el equipo comprobó que su nuevo modelo predecía con precisión lo que Everitt observó hace décadas, colaboró con el grupo de Capasso en Harvard para diseñar un nuevo tipo de generador compacto de terahercios, combinando el modelo con nuevos gases y un nuevo tipo de láser infrarrojo.
Como fuente infrarroja, los investigadores utilizaron un láser de cascada cuántica, o QCL: un tipo de láser más reciente que es compacto y, además, ajustable.
«Se puede girar un dial, y cambia la frecuencia del láser de entrada, y la esperanza era que pudiéramos usar eso para cambiar la frecuencia de los terahercios que salen», afirma Johnson.
Los investigadores se asociaron con Capasso, pionero en el desarrollo de QCL, quien proporcionó un láser que producía un rango de potencia que su teoría predecía que funcionaría con una cavidad del tamaño de un bolígrafo (aproximadamente 1/1.000 del tamaño de una cavidad convencional). A continuación, los investigadores buscaron un gas que pudieran hacer girar.
El equipo buscó en bibliotecas de gases para identificar aquellos que se sabía que giraban de determinada manera en respuesta a la luz infrarroja, y finalmente eligió el óxido nitroso, o gas hilarante, como candidato ideal y accesible para su experimento.
Encargaron óxido nitroso de grado de laboratorio, que bombearon a una cavidad del tamaño de un bolígrafo. Cuando enviaron luz infrarroja desde el QCL a la cavidad, comprobaron que podían producir un láser de terahercios. A medida que ajustaban el QCL, la frecuencia de las ondas de terahercios también cambiaba, en un amplio rango.
«Estas demostraciones confirman el concepto universal de una fuente de láser molecular de terahercios que puede ajustarse ampliamente en todos sus estados rotacionales cuando se bombea con un QCL continuamente ajustable», afirma Wang.
Desde estos experimentos iniciales, los investigadores han ampliado su modelo matemático para incluir una variedad de otras moléculas de gas, como el monóxido de carbono y el amoníaco, ofreciendo a los científicos un menú de diferentes opciones de generación de terahercios con distintas frecuencias y rangos de ajuste, junto con un QCL adaptado a cada gas. Las herramientas teóricas del grupo también permiten a los científicos adaptar el diseño de la cavidad a diferentes aplicaciones. Actualmente avanzan hacia haces más enfocados y mayores potencias, con el desarrollo comercial en el horizonte.
Johnson afirma que los científicos pueden recurrir al modelo matemático del grupo para diseñar nuevos láseres de terahercios compactos y ajustables, utilizando otros gases y parámetros experimentales.
«Durante mucho tiempo, estos láseres de gas se consideraron una tecnología antigua, y la gente asumía que eran cosas enormes, de baja potencia y no ajustables, por lo que buscaron otras fuentes de terahercios», afirma Johnson. «Ahora decimos que pueden ser pequeños, ajustables y mucho más eficientes. Podría caber en su mochila o en su vehículo para comunicación inalámbrica o imágenes de alta resolución. Porque no se quiere un ciclotrón en el coche».
Esta investigación fue respaldada en parte por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias.
