Os pesquisadores da RIKEN desenvolveram um dispositivo portátil que usa efetivamente a banda terahertz do espectro eletromagnético para 'raio X' de objetos sem radiação prejudicial.Ao otimizar certas técnicas e utilizar materiais específicos, eles melhoraram significativamente a potência das ondas terahertz e miniaturizaram o dispositivo.A tecnologia promete diversas aplicações, incluindo imagens não destrutivas e pesquisa quântica, com colaborações industriais em andamento.
Usando novos dispositivos do tamanho da palma da mão, os pesquisadores do RIKEN podem ter finalmente aproveitado a banda terahertz do espectro eletromagnético para efetivamente 'raio X' de coisas sem usar radiação ionizante prejudicial. Disruptor explosivo com alta velocidade
Inúmeras tecnologias – desde smartphones e TVs a instrumentos infravermelhos no Telescópio Espacial James Webb e dispositivos de telecomunicações sem fios de alta velocidade que utilizam microondas – exploram secções do espectro electromagnético.
Mas em algum lugar entre as microondas comumente usadas e a luz infravermelha, existe uma região negligenciada chamada banda terahertz.As ondas Terahertz têm vários usos potenciais interessantes, até porque podem ser usadas para ver através ou dentro de materiais de maneira semelhante aos raios X.Ao contrário dos raios X, porém, as ondas terahertz não emitem radiação ionizante prejudicial.
Mas as tecnologias de terahertz até agora definharam porque tem sido difícil adaptar as tecnologias de micro-ondas ou de luz visível à faixa de terahertz em tamanhos e potências úteis.
Dispositivo criado por Hiroaki Minamide e sua equipe, que converte com eficiência a radiação infravermelha em ondas terahertz.Pode gerar radiação terahertz em toda a faixa da banda terahertz.Crédito: © 2023 RIKEN
Por exemplo, uma abordagem para gerar ondas terahertz tem sido desenvolver dispositivos elétricos que produzam microondas de frequência mais alta e comprimento de onda ultracurto.Mas isto tem sido difícil, em parte porque estes dispositivos necessitam de parâmetros altamente otimizados para produzir um melhor desempenho elétrico, o que se revelou um desafio.
Uma estratégia alternativa é produzir ondas terahertz convertendo ondas de luz infravermelha mais curtas e de maior frequência, usando materiais conhecidos como cristais não lineares.
No Centro RIKEN de Fotônica Avançada, estamos explorando esta segunda estratégia – produzir ondas terahertz convertendo a saída de um laser infravermelho.Este método tradicionalmente requer lasers enormes para gerar ondas terahertz poderosas o suficiente para a maioria das aplicações práticas.Mas isto limitou a utilização da tecnologia terahertz para aplicações do mundo real – onde dispositivos portáteis para análise in situ seriam muito mais valiosos.
Na equipe de pesquisa Tera-Fotônica, que lidero, esperamos desenvolver fontes poderosas de ondas terahertz do tamanho da palma da mão para aplicações na indústria e em pesquisa fundamental.Recentemente, demos grandes avanços em direção a esse objetivo e temos diversas colaborações industriais em andamento.
Nós nos concentramos no uso de niobato de lítio, um cristal não linear que produz um feixe de ondas terahertz quando irradiado com luz laser infravermelha próxima.Quando assumi a liderança da equipe em 2010, era impossível produzir ondas terahertz suficientemente potentes usando este método, apesar de muitos anos de trabalho.
Em 2011, tivemos que interromper a pesquisa de laboratório por vários meses depois que um grande terremoto atingiu Sendai, no Japão, onde fica nosso campus.Durante esse período, lembrei-me do resultado de uma experiência anterior que me chamou a atenção e encontrei uma pista emocionante de um possível caminho a seguir.
Naquela época, usamos um laser infravermelho próximo com durações de pulso em nanossegundos.Os resultados indicaram que quando pulsos de laser mais curtos, subnanossegundos, foram usados, a geração de ondas terahertz em função do pulso de laser de entrada foi alterada.Eu me perguntei por que isso acontecia.
Então descobri um artigo de 1993[1] que relatou os efeitos da duração do pulso de laser em cristais não lineares.O estudo – analisando a luz visível – implicava que o uso de pulsos mais curtos reduzia um efeito de dispersão de luz chamado dispersão de Brillouin.Eu me perguntei se, ao reduzir a duração do pulso do laser, poderíamos minimizar o espalhamento de Brillouin dos nossos cristais de niobato de lítio.Isso pode nos permitir converter mais luz do laser em ondas terahertz e aumentar a produção de energia.
CUIDE DA FALTA: Imprensada entre as microondas e a radiação infravermelha no espectro eletromagnético, a lacuna dos terahertz tem sido subutilizada em tecnologias até agora.Assim como os raios X, as ondas terahertz têm a capacidade de ver através dos materiais.Mas como as ondas terahertz têm frequências (e, portanto, energias) muito mais baixas do que os raios X, não representam o mesmo risco para a saúde que a radiação ionizante.Crédito: © 2023 RIKEN
Assim que voltamos ao laboratório e testamos essa teoria, ficamos impressionados com o resultado.Usando pulsos de laser abaixo de nanossegundos, poderíamos escapar do espalhamento de Brillouin para melhorar nossa potência de onda terahertz em seis ordens de magnitude – de 200 miliwatts para 100 quilowatts[2].Finalmente obtivemos uma emissão poderosa de um dispositivo de apenas um metro quadrado, muito menor do que os aparelhos terahertz anteriores, que enchiam salas inteiras.Mas quando mostrámos este dispositivo à indústria, eles disseram-nos que ainda era demasiado grande para aplicações no mundo real.
Para miniaturizar ainda mais nossa fonte de ondas terahertz, substituímos o lingote de cristal de niobato de lítio que havíamos usado anteriormente por um cristal fino de niobato de lítio com uma microestrutura modulada por polarização artificial, que é chamado de cristal de niobato de lítio periodicamente polarizado (PPLN).Comumente empregado na região da luz visível, o cristal PPLN nos permitiu desenvolver um dispositivo portátil devido à sua maior eficiência de conversão de luz.
No início de nossa pesquisa PPLN, não havia nenhuma maneira conhecida de gerar ondas terahertz com eficiência usando cristais PPLN.À medida que prosseguimos com nossos próprios experimentos, ficamos inicialmente muito intrigados com o comportamento dos cristais PPLN.Não vimos ondas terahertz, apenas um feixe de luz inesperado, produzido a partir do cristal.
Depois de analisar cuidadosamente as propriedades desta luz, finalmente percebemos que ondas terahertz estavam sendo produzidas, mas numa direção inesperada.A interação entre a luz e a estrutura modulada por polarização do PPLN fez com que ondas terahertz fossem geradas na parte traseira do cristal.Quando movemos nosso detector para trás dele, encontramos a onda terahertz[3].Poderíamos finalmente fazer um protótipo do tamanho da palma da mão com alta eficiência de conversão e potência suficiente.
Notavelmente, também descobrimos que simplesmente girando o cristal, poderíamos sintonizar a frequência das ondas terahertz produzidas[4].Nossos dispositivos podem cobrir completamente a região crítica subterahertz do espectro, o que é especialmente importante para aplicações de imagens não destrutivas.
Nossa pesquisa é baseada na conversão de fótons entre ondas de luz e ondas terahertz por efeitos ópticos não lineares baseados em tecnologias fotônicas e laser maduras.Conseguimos oscilação em cascata na oscilação paramétrica de onda terahertz reversa usando injeção óptica para diminuir o limite e estabilizar a potência de saída - alcançando uma potência de saída de pico em terahertz de 200 watts a uma frequência de 0,3 terahertz;converteu ondas terahertz em ondas de luz em um processo de conversão quântica óptica reversa;e conseguiu detectar ondas terahertz ultrafracas de aproximadamente 50 attojoules, o que é 1.000 vezes mais sensível que um bolômetro de 4 Kelvin.Esses resultados fornecem novas pesquisas quânticas baseadas na conversão de fótons quânticos de terahertz em luz.Nossos resultados mais recentes baseiam-se na incorporação da teoria quântica em nosso trabalho.E nosso trabalho futuro irá explorar o emaranhamento quântico – onde uma partícula quântica espelha misteriosamente outra distante – para melhorar a sensibilidade dos detectores de terahertz.
Além disso, nossos sistemas de ondas terahertz altamente miniaturizados e de alta potência são complementados por desenvolvimentos recentes em lasers fotônicos compactos e poderosos.Nossos dispositivos usam um novo laser microchip que produz pulsos de laser infravermelho distante em velocidades abaixo de nanossegundos e altas potências.
Estamos agora no ponto em que as colaborações industriais constituem uma parte fundamental do nosso trabalho.As fortes emissões subterahertz que nossos dispositivos podem gerar são altamente adequadas para imagens e trabalhos analíticos.Estamos conduzindo pesquisas conjuntas com empresas japonesas especializadas em eletrônica, óptica e fotônica – como Ricoh, Topcon, Mitsubishi Electric e Hamamatsu Photonics – para desenvolver aplicações de testes não destrutivos e equipamentos de espectroscopia de ondas terahertz.
Para demonstrar o potencial da nossa tecnologia para fins de segurança, montamos um protótipo de dispositivo de imagem terahertz.Com ele mostramos que uma arma de plástico, que pode disparar balas de plástico, pode ser claramente detectada quando escondida atrás de um vidro esburacado que dispersa bastante a luz.Também poderíamos imaginar claramente uma tesoura escondida em uma grossa bolsa de couro.
As ondas Terahertz também podem revelar a composição química das substâncias, devido aos padrões característicos de absorção de “impressões digitais”.Diferentes líquidos incolores – como querosene e acetona – que parecem idênticos a olho nu podem ser facilmente identificados por este método, por exemplo.Assim, as aplicações consideradas para ondas terahertz vão desde scanners de segurança de aeroportos até a análise de obras de arte históricas.
Tintas industriais e revestimentos externos também podem ser analisados, desde coisas tão variadas quanto carros novos e comprimidos farmacêuticos – e de forma não destrutiva, ao contrário dos métodos atuais.No futuro, poderemos montar os nossos dispositivos em robôs para rastejar ao longo de tubagens industriais para inspecionar a corrosão ou em drones para inspecionar pintura em torres de transmissão de energia.
Esses e outros usos poderiam nos dar uma melhor compreensão de como os materiais interagem e se degradam in situ.Se conseguirmos compreender melhor estas questões utilizando tecnologias não destrutivas, poderemos mais facilmente ajustar os processos de produção em tempo real para melhorar a eficiência e fazer remendos para prolongar a vida útil das estruturas, por exemplo.Os benefícios económicos e ambientais deverão ser exponenciais.
Já temos os melhores dispositivos TERAHERTZ para uso do consumidor.E eles também têm uma patente de utilidade.Eles pararam meu sangramento intestinal após a cirurgia de braquioterapia para câncer de próstata e eliminaram minha frequência de urinar à noite
Mais como o TriCorder portátil de Riker!É hora de investir na empresa que conseguir isso primeiro.Ela substituirá todas as máquinas de raios X da Terra nos próximos 25 anos.Aquela cena em Total Recall em que Arnold passa pelo scanner de “raio X” do aeroporto pode ter sido realmente isso.
Sempre que pudermos investir em tecnologia que “leve nosso dinheiro para Marte” estaremos indo na direção certa!🙂
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