Laserele compacte, bazate pe cipuri, au reușit să acopere o mare parte din spectrul electromagnetic, de la ultraviolete la infraroșu, permițând dezvoltarea de diverse tehnologii, de la comunicații digitale și cititoare de coduri de bare la pointeri și imprimante laser. Cu toate acestea, o regiune cheie a spectrului a rămas neacoperită, și anume banda terahertz, care se află între spectrul infraroșu și microunde. Inginerii și-au dorit să creeze o sursă de radiație terahertz, care poate penetra obiectele opace și poate sonda amprentele chimice în interiorul acestora. Până în prezent, aceste tipuri de lasere terahertz compacte puteau funcționa doar la temperaturi foarte scăzute, utilizarea lor fiind limitată doar în cadrul laboratoarelor.
Totuși, cercetătorii au raportat în revista Nature Photonics crearea unui laser terahertz, de mărimea unui bob de orez, cu ajutorul unui cip care funcționează la temperaturi de 250 K sau -23 °C, acesta fiind răcit prin intermediul unui cooler, de tip plug-in, având dimensiunea unui puc de hochei.
„Aceasta este o mare realizare. Creșterea temperaturilor de funcționare ale laserelor terahertz a fost un obiectiv pe termen lung al acestei comunități. În prezent există o multitudine de aplicații ce pot fi realizate, de la imagistica medicală la detectarea explozivilor în aeroporturi”, a declarat Miriam Vitiello, fizician în materie condensată, în cadrul Institutului de Nanoștiințe al Consiliului Național de Cercetare din Italia.
Laserele standard, pe bază de cipuri, își generează fotonii atunci când electronii ajung în vacanțele din structura unui aliaj semiconductor, compoziția chimică determinând culoarea fasciculului. De exemplu, nitrura de galiu emite o lumină albastră, în timp ce arseniura de galiu emite o lumină de culoare roșie. Cu toate acestea, niciun aliaj semiconductor nu emite fotoni de ordinul terahertzilor. („Terahertz” se referă la frecvența luminii: trilioane de cicluri pe secundă.) În anul 1994, cercetătorii din cadrul companiei AT&T Bell Labs au creat un tip de laser, în care nu doar chimia semiconductorului, ci și structura sa determina lungimea de undă a fasciculului. Laserul Cuantic în Cascadă (QCL) conținea sute de straturi de semiconductori cu grosimi precise. Electronii, injectați în structură, treceau de pe o treaptă de energia pe alta în cascadă, emițând câte un foton de fiecare dată. În cazul primului QCL, frecvența fotonilor era în spectrul infraroșu, dar în anul 2002 cercetătorii din Italia și Marea Britanie au creat primele lasere QCL care emiteau fotoni terahertz.
Aceste dispozitive trebuiau răcite la temperatura de 50 K. Totuși, în anul 2019, cercetătorii conduși de fizicianul Jérôme Faist din cadrul ETH Zurich au creat un QCL terahertz format din sute de straturi alternante de arseniură de galiu și arseniură de aluminiu galiu (AlGaAs), care putea funcționa la temperaturi 210 K. Cu toate acestea, acest QCL necesita coolere criogenice voluminoase și costisitoare.
La temperaturi mai ridicate, electronii sar peste barierele dintre straturi, în loc să cadă pas cu pas în cascadă prin structură. „Aceste salturi ale electronilor peste bariere reprezenta problema principală”, a declarat Qing Hu, fizician în cadrul Institutului de Tehnologie din Massachusetts. Pentru a remedia această problemă, Hu și colegii acestuia au adăugat mai mult aluminiu la barierele AlGaAs, în speranța de a limita salturile electronilor. De asemenea, a fost necesar să se împiedice interacțiunea dintre electroni care ar fi putut să conducă la salturile peste barierele de AlGaAs.
În prezent, echipa lui Hu a arătat faptul că, adaptarea structurii stratificate, prin crearea unor straturi de grosimi de până la șapte atomi, ar putea face ca electronii să se deplaseze corespunzător la temperaturi suficient de mari, pentru a face posibilă răcirea cu ajutorul unor coolere termoelectrice compacte standard. Mai mult decât atât, aceeași strategie ar trebui să permită echipei să producă în cele din urmă lasere terahertz, care să poată funcționa la temperatura camerei.
Sursele de radiații terahertz la temperatura camerei ar putea fi utilizate împreună cu detectorii terahertz, care funcționează și la temperatura camerei, pe care Vitiello și alți cercetători îi dezvoltă în prezent. Această fuziune ar putea conduce la tehnologii precum realizarea de imagini terahertz, cu ajutorul cărora să se poată distingă cancerul de piele de țesuturile obișnuite fără o biopsie sau la sisteme de detecție pentru explozivi ascunși, droguri și chiar falsuri farmaceutice în aeroporturi.
