Forskare vid MIT och University of Waterloo har utvecklat en hög effekt, bärbar version av en enhet som kallas en kvantkaskadlaser, som kan generera terahertzstrålning utanför en laboratoriemiljö. Lasern kan eventuellt användas i applikationer som att identifiera hudcancer och upptäcka dolda sprängämnen.

Tills nu, generering av terahertzstrålning som var kraftfull nog att utföra realtidsavbildning och snabba spektralmätningar krävde temperaturer långt under 200 Kelvin (-100 grader Fahrenheit) eller lägre. Dessa temperaturer kunde endast uppnås med skrymmande utrustning som begränsade teknikens användning till laboratoriemiljö. I en tidning publicerad i Naturfotonik , MIT framstående professor i elektroteknik och datavetenskap Qing Hu och hans kollegor rapporterar att deras terahertz kvantkaskadlaser kan fungera vid temperaturer på upp till 250 K (-10 grader Fahrenheit), vilket innebär att endast en kompakt bärbar kylare krävs.

Terahertz kvantkaskadlasrar, små chip-inbäddade halvledarlaserenheter, uppfanns först 2002, men att anpassa dem för att fungera långt över 200 K visade sig vara så svårt att många människor på fältet spekulerade i att det fanns en grundläggande fysisk orsak som hindrade det, säger Hu.

"Med en hög driftstemperatur, vi kan äntligen lägga detta i ett kompakt bärbart system och ta denna banbrytande teknik ur laboratoriet, " säger Hu. "Detta kommer att möjliggöra bärbara terahertz-avbildnings- och spektralsystem som kommer att ha en omedelbar inverkan på omfattande tillämpningar inom medicin, biokemi, säkerhet, och andra områden."

Hu började undersöka terahertzfrekvenserna - ett band av det elektromagnetiska spektrumet mellan mikrovågor och det infraröda området - redan 1991.

"Det tog mig 11 år och tre generationer studenter att göra vår egen [terahertz kvantkaskadlaser] 2002, säger han. Sedan dess, maximala driftstemperaturer som begränsade användningen av terahertzstrålning förblev långt under rumstemperaturen. Det maximala 250 K som rapporteras i denna tidning representerar ett avsevärt hopp från det tidigare maxvärdet på 210 K, som grundades 2019, slog ett tidigare rekord från 2012 på 200 K som hade legat orört i sju år.

Lasrarna, som bara är några millimeter långa och är tunnare än ett människohår, är kvantbrunnstrukturer med noggrant skräddarsydda brunnar och barriärer. Inom strukturen, elektroner "kaskaderar" nerför en sorts trappa, avger en ljus partikel, eller foton, vid varje steg.

En viktig innovation som beskrivs i Naturfotonik papper var en fördubbling av höjden på barriärerna i lasern för att förhindra läckage av elektroner, ett fenomen som tenderade att öka vid höga temperaturer.

"Vi förstod att elektronläckage över barriären var mördaren, "som får systemet att gå sönder om det inte kyls med en kryostat, säger Hu. "Så, vi sätter en högre barriär för att förhindra läckage, och detta visade sig vara nyckeln till genombrottet."

Tidigare, högre barriärer utforskades sporadiskt, men de gav sämre resultat, säger Hu. Den rådande uppfattningen var att ökad elektronspridning i samband med de högre barriärerna var skadlig, och därför bör högre barriärer undvikas.

Forskargruppen utvecklade de korrekta parametrarna för bandstrukturen för höga barriärer och ett konceptuellt nytt optimeringsschema för designen.

Denna innovation parades med ett "direkt fononschema" som håller lasern i drift genom en konfiguration där lägre lasringsnivåer för varje modul, eller steg i strukturens trappa, snabbt befolkas av elektroner genom att fonon (eller en enhet av vibrationsenergi) sprids till ett grundtillstånd, som sedan fungerar som injektor av elektroner till nästa stegs övre nivå, och processen upprepas. Ett sådant arrangemang av elektronerna i systemet är väsentligt för att lasring ska uppstå, som Einstein först föreställde sig 1916.

"Det här är mycket komplexa strukturer med nära 15, 000 gränssnitt mellan kvantbrunnar och barriärer, varav hälften inte ens är sju atomlager tjocka, " säger medförfattaren Zbig Wasilewski, professor i el- och datateknik och University of Waterloo Endowed Chair in Nanotechnology. "Kvaliteten och reproducerbarheten hos dessa gränssnitt är av avgörande betydelse för prestandan hos terahertzlasrar. Det tog det bästa inom molekylär strålepitaxiella tillväxtkapacitet - vårt forskarteams nyckelbidrag - tillsammans med våra MIT-samarbetspartners expertis inom modellering och tillverkning av kvantenheter, att göra så viktiga framsteg i denna utmanande sektor av THz-fotonik."

I en medicinsk miljö, det nya bärbara systemet, som inkluderar en kompaktkamera och detektor och kan fungera var som helst med ett eluttag, skulle kunna ge realtidsbilder under vanliga hudcancerscreeningar eller till och med under kirurgiska ingrepp för att skära ut hudcancervävnader. Cancercellerna dyker upp "mycket dramatiskt i terahertz" eftersom de har högre vatten- och blodkoncentrationer än normala celler, säger Hu.

Tekniken skulle också kunna tillämpas i många branscher där detektion av främmande föremål i en produkt är nödvändig för att säkerställa dess säkerhet och kvalitet.

Detektering av gaser, läkemedel, och sprängämnen kan bli särskilt sofistikerade med användning av terahertzstrålning. Till exempel, föreningar som hydroxid, ett ozonförstörande medel, har ett speciellt spektralt "fingeravtryck" inom terahertzfrekvensen, liksom läkemedel inklusive metamfetamin och heroin, och sprängämnen inklusive TNT.

"Inte bara kan vi se föremål genom optiskt ogenomskinliga material, men vi kan också identifiera ämnena, " säger Hu.

Hu säger att han ser "en tydlig väg" till målet att kunna generera kraftfull terahertz utan att behöva en kylare.

"Att använda direktfononsystemet och högre barriärer är vägen att gå framåt, " säger han. "Jag kan äntligen se ljuset i slutet av tunneln när vi når rumstemperatur."