Inom den elektromagnetiska mellanmarken mellan mikrovågor och synligt ljus ligger terahertz -strålning, och löftet om "T-ray vision".

Terahertz -vågor har frekvenser högre än mikrovågor och lägre än infrarött och synligt ljus. Där optiskt ljus blockeras av de flesta material, terahertz -vågor kan passera rakt igenom, liknande mikrovågor. Om de gjordes till laser, terahertz-vågor kan möjliggöra "T-ray vision, "med förmågan att se igenom kläder, bokomslag, och andra tunna material. Sådan teknik kan ge skarpa, bilder med högre upplösning än mikrovågor, och vara mycket säkrare än röntgen.

Anledningen till att vi inte ser t-ray-maskiner i, till exempel, flygplatsens säkerhetslinjer och medicinska bildanläggningar är att produktion av terahertz -strålning kräver mycket stora, skrymmande inställningar eller enheter som producerar terahertz -strålning med en enda frekvens - inte särskilt användbart, med tanke på att det krävs ett brett spektrum av frekvenser för att penetrera olika material.

Nu forskare från MIT, Harvard Universitet, och den amerikanska armén har byggt en kompakt enhet, storleken på en skokartong, som producerar en terahertz -laser vars frekvens kan ställas in över ett brett område. Enheten är byggd från kommersiell, hyllplan och är designad för att generera terahertzvågor genom att spinna upp energin hos molekyler i dikväveoxid, eller, som det är mer allmänt känt, lustgas.

Steven Johnson, professor i matematik vid MIT, säger att förutom T-ray vision, terahertz -vågor kan användas som en form av trådlös kommunikation, transportera information med en högre bandbredd än radar, till exempel, och gör det över avstånd som forskare nu kan ställa in med gruppens enhet.

"Genom att ställa in terahertz-frekvensen, du kan välja hur långt vågorna kan färdas genom luften innan de absorberas, från meter till kilometer, som ger exakt kontroll över vem som kan 'höra' din terahertz -kommunikation eller 'se' din terahertz -radar, " säger Johnson. "Mycket som att ändra ratten på din radio, möjligheten att enkelt ställa in en terahertz -källa är avgörande för att öppna nya applikationer inom trådlös kommunikation, radar, och spektroskopi."

Johnson och hans kollegor har publicerat sina resultat i tidningen Vetenskap . Medförfattare inkluderar MIT postdoc Fan Wang, tillsammans med Paul Chevalier, Arman Armizhan, Marco Piccardo, och Federico Capasso från Harvard University, och Henry Everitt från U.S. Army Combat Capabilities Development Command Aviation and Missile Center.

Molekylärt andningsrum

Sedan 1970-talet, forskare har experimenterat med att generera terahertz-vågor med hjälp av molekylära gaslasrar-inställningar där en högeffektiv infraröd laser skjuts in i ett stort rör fyllt med gas (vanligtvis metylfluorid) vars molekyler reagerar genom att vibrera och så småningom rotera. De roterande molekylerna kan hoppa från en energinivå till nästa, vars skillnad avges som ett slags överbliven energi, i form av en foton i terahertzområdet. När fler fotoner byggs upp i hålrummet, de producerar en terahertz-laser.

Att förbättra designen av dessa gaslasrar har hindrats av opålitliga teoretiska modeller, säger forskarna. I små hålrum vid höga gastryck, modellerna förutspådde att, bortom en viss press, molekylerna skulle vara för "trånga" för att snurra och avge terahertzvågor. Delvis av denna anledning, terahertz-gaslasrar använde vanligtvis meterlånga kaviteter och stora infraröda lasrar.

Dock, på 1980-talet, Everitt fann att han kunde producera terahertzvågor i sitt laboratorium med en gaslaser som var mycket mindre än traditionella enheter, vid tryck mycket högre än vad modellerna sa var möjligt. Denna diskrepans förklarades aldrig helt, och arbetet med terahertz -gaslasrar föll av vägen till förmån för andra tillvägagångssätt.

Några år sedan, Everitt nämnde detta teoretiska mysterium för Johnson när de två samarbetade på annat arbete som en del av MIT:s Institute for Soldier Nanotechnologies. Tillsammans med Everitt, Johnson och Wang antog utmaningen, och formulerade slutligen en ny matematisk teori för att beskriva beteendet hos en gas i en molekylär gaslaserhålighet. Teorin förklarade också framgångsrikt hur terahertzvågor kunde sändas ut, även från mycket små, högtryckshålrum.

Johnson säger att medan gasmolekyler kan vibrera vid flera frekvenser och rotationshastigheter som svar på en infraröd pump, tidigare teorier diskonterade många av dessa vibrationstillstånd och antog istället att en handfull vibrationer var det som i slutändan var viktigt för att producera en terahertz -våg. Om ett hålrum var för litet, tidigare teorier föreslog att molekyler som vibrerar som svar på en inkommande infraröd laser skulle kollidera oftare med varandra, frigör sin energi istället för att bygga upp den ytterligare för att snurra och producera terahertz.

Istället, den nya modellen spårade tusentals relevanta vibrations- och rotationstillstånd bland miljontals grupper av molekyler i ett enda hålrum, använda nya beräkningsknep för att göra ett så stort problem löst på en bärbar dator. Den analyserade sedan hur dessa molekyler skulle reagera på inkommande infrarött ljus, beroende på deras position och riktning i hålrummet.

"Vi upptäckte att när du inkluderar alla dessa andra vibrationstillstånd som folk hade kastat ut, de ger dig en buffert, " säger Johnson. "I enklare modeller, molekylerna roterar, men när de slår in i andra molekyler förlorar de allt. När du inkluderar alla dessa andra stater, det händer inte längre. Dessa kollisioner kan överföra energi till andra vibrationstillstånd, och liksom ge dig mer andrum för att fortsätta rotera och fortsätta skapa terahertzvågor."

Skrattande, uppringd

När teamet upptäckte att deras nya modell exakt förutspådde vad Everitt observerade för decennier sedan, de samarbetade med Capassos grupp vid Harvard för att designa en ny typ av kompakt terahertz -generator genom att kombinera modellen med nya gaser och en ny typ av infraröd laser.

För den infraröda källan, forskarna använde en kvantkaskadlaser, eller QCL – en nyare typ av laser som är kompakt och även avstämbar.

"Du kan vrida en ratt, och det ändrar frekvensen för ingångslasern, och förhoppningen var att vi kunde använda det för att ändra frekvensen för terahertz som kommer ut, " säger Johnson.

Forskarna slog sig ihop med Capasso, en pionjär inom utvecklingen av QCL, som tillhandahöll en laser som producerade ett spektrum av kraft som deras teori förutspådde skulle fungera med ett hålrum av storleken på en penna (cirka 1/1, 000 storleken på en konventionell kavitet). Forskarna letade sedan efter en gas att snurra upp.

Teamet sökte genom bibliotek av gaser för att identifiera de som var kända för att rotera på ett visst sätt som svar på infrarött ljus, så småningom landar på lustgas, eller lustgas, som en idealisk och tillgänglig kandidat för sitt experiment.

De beställde lustgas av laboratoriekvalitet, som de pumpade in i en pennstor hålighet. När de skickade infrarött ljus från QCL in i hålrummet, de fann att de kunde producera en terahertz-laser. När de trimmade QCL, frekvensen av terahertzvågor förändrades också, över ett brett spektrum.

"Dessa demonstrationer bekräftar det universella konceptet med en terahertz molekylär laserkälla som i stort sett kan justeras över hela rotationslägena när den pumpas av en kontinuerligt avstämbar QCL, " säger Wang.

Sedan dessa första experiment, forskarna har utökat sin matematiska modell till att omfatta en mängd andra gasmolekyler, som kolmonoxid och ammoniak, förse forskare med en meny med olika terahertz -generationsalternativ med olika frekvenser och inställningsområden, parat med en QCL matchad till varje gas. Gruppens teoretiska verktyg gör det också möjligt för forskare att skräddarsy kavitetsdesignen till olika applikationer. De driver nu mot mer fokuserade strålar och högre krafter, med kommersiell utveckling i horisonten.

Johnson säger att forskare kan hänvisa till gruppens matematiska modell för att designa nya, kompakta och avstämbara terahertzlasrar, använda andra gaser och experimentella parametrar.

"Dessa gaslasrar sågs länge som gammal teknik, och folk antog att dessa var enorma, låg effekt, oavstämbara saker, så de tittade på andra terahertzkällor, "Säger Johnson." Nu säger vi att de kan vara små, inställbar, och mycket effektivare. Du kan få plats med denna i din ryggsäck, eller i ditt fordon för trådlös kommunikation eller högupplöst bildbehandling. För du vill inte ha en cyklotron i din bil."