Forskere udvikler en høj effekt, bærbar terahertz laser

Forskere ved MIT og University of Waterloo har udviklet en højeffekt, bærbar version af en enhed kaldet en kvantekaskadelaser, som kan generere terahertz-stråling uden for et laboratoriemiljø. Laseren kan potentielt bruges i applikationer som at lokalisere hudkræft og opdage skjulte sprængstoffer.

Indtil nu, generering af terahertz-stråling, der er kraftig nok til at udføre billeddannelse i realtid og hurtige spektrale målinger, krævede temperaturer langt under 200 Kelvin (-100 grader Fahrenheit) eller lavere. Disse temperaturer kunne kun opnås med omfangsrig udstyr, der begrænsede teknologiens brug til et laboratorium. I et papir udgivet i Natur fotonik , MIT Distinguished Professor of Electrical Engineering and Computer Sciences Qing Hu og hans kolleger rapporterer, at deres terahertz kvantekaskadelaser kan fungere ved temperaturer på op til 250 K (-10 grader Fahrenheit), hvilket betyder, at der kun kræves en kompakt bærbar køler.

Terahertz kvantekaskadelasere, bittesmå chip-indlejrede halvlederlaserenheder, blev først opfundet i 2002, men at tilpasse dem til at fungere langt over 200 K viste sig at være så vanskeligt, at mange mennesker i felten spekulerede i, at der var en grundlæggende fysisk grund til at forhindre det, Hu siger.

"Med en høj driftstemperatur, vi kan endelig sætte dette i et kompakt bærbart system og tage denne banebrydende teknologi ud af laboratoriet, "Hu siger." Dette vil muliggøre bærbare terahertz-billeddannelses- og spektralsystemer, der vil have en umiddelbar indvirkning på vidtrækkende applikationer inden for medicin, biokemi, sikkerhed, og andre områder."

Hu begyndte forskning i terahertz-frekvenser - et bånd af det elektromagnetiske spektrum mellem mikrobølger og det infrarøde område - tilbage i 1991.

"Det tog mig 11 år og tre generationer af studerende at lave vores egen [terahertz kvantekaskadelaser] i 2002, " siger han. Siden da maksimale driftstemperaturer, der begrænsede brugen af ​​terahertz -stråling, forblev langt under stuetemperatur. Det maksimale på 250 K rapporteret i dette papir repræsenterer et betydeligt spring fra det tidligere maksimum på 210 K, som blev etableret i 2019, slog en tidligere rekord i 2012 på 200 K, der havde været urørt i syv år.

Laserne, som kun måler et par millimeter i længden og er tyndere end et menneskehår, er kvantebrøndstrukturer med omhyggeligt specialdesignede brønde og barrierer. Inden for strukturen, elektroner "kaskade" ned ad en slags trappe, udsender en lyspartikel, eller foton, ved hvert trin.

En vigtig innovation beskrevet i Natur fotonik papir var en fordobling af højden af ​​barriererne i laseren for at forhindre lækage af elektronerne, et fænomen, der havde en tendens til at stige ved høje temperaturer.

"Vi forstod, at elektronlækage over barrieren var morderen, "får systemet til at bryde ned, hvis det ikke afkøles med en kryostat, Hu siger. "Så, vi sætter en højere barriere for at forhindre lækagen, og dette viste sig at være nøglen til gennembruddet."

Tidligere har højere barrierer blev udforsket sporadisk, men de gav ringere resultater, Hu siger. Den fremherskende opfattelse var, at øget elektronspredning forbundet med de højere barrierer var skadelig, og derfor bør højere barrierer undgås.

Forskergruppen udviklede de korrekte parametre for båndstrukturen for høje barrierer og en konceptuelt ny optimeringsplan for designet.

Denne innovation blev parret med et "direkte fononskema", der holder laseren i drift gennem en konfiguration, hvor lavere laserniveauer for hvert modul, eller trin i strukturens trappe, bliver hurtigt tømt for elektroner gennem fonon (eller en enhed af vibrationsenergi), der spredes til en grundtilstand, som derefter tjener som injektor af elektroner til det næste trins øverste niveau, og processen gentages. Et sådant arrangement af elektronerne i systemet er afgørende for, at lasering kan opstå, som først forestillede sig af Einstein tilbage i 1916.

"Dette er meget komplekse strukturer med tæt på 15, 000 grænseflader mellem kvantebrønde og barrierer, hvoraf halvdelen ikke engang er syv atomlag tykke, " siger medforfatter Zbig Wasilewski, professor i elektro- og computerteknik og University of Waterloo endowed Chair i nanoteknologi. "Kvaliteten og reproducerbarheden af ​​disse grænseflader er af afgørende betydning for ydeevnen af ​​terahertz-lasere. Det tog det bedste inden for molekylær stråle-epitaksial vækstkapacitet - vores forskerholds nøglebidrag - sammen med vores MIT-samarbejdspartneres ekspertise inden for kvanteenhedsmodellering og -fabrikation, at gøre så vigtige fremskridt i denne udfordrende sektor af THz-fotonik."

I medicinske omgivelser, det nye bærbare system, som inkluderer et kompakt kamera og detektor og kan fungere hvor som helst med en stikkontakt, kunne give billeddannelse i realtid under regelmæssige hudkræftscreeninger eller endda under kirurgiske procedurer for at udskære hudkræftvæv. Kræftcellerne viser sig "meget dramatisk i terahertz", fordi de har højere vand- og blodkoncentrationer end normale celler, Siger Hu.

Teknologien kan også anvendes i mange industrier, hvor detektion af fremmedlegemer i et produkt er nødvendigt for at sikre dets sikkerhed og kvalitet.

Påvisning af gasser, stoffer, og sprængstoffer kan blive særligt sofistikerede ved brug af terahertz-stråling. For eksempel, forbindelser som hydroxid, et ozon-ødelæggende middel, har et særligt spektralt "fingeraftryk" inden for terahertz-frekvensen, ligesom stoffer, herunder metamfetamin og heroin, og sprængstoffer, herunder TNT.

"Ikke kun kan vi se objekter gennem optisk uigennemsigtige materialer, men vi kan også identificere stofferne, " siger Hu.

Hu siger, at han ser "en klar vej" til målet om at kunne generere kraftig terahertz uden at have brug for en køler.

"At bruge den direkte fonon-ordning og højere barrierer er vejen frem, " siger han. "Jeg kan endelig se lyset for enden af ​​tunnelen, når vi når stuetemperatur."