Para peneliti sedang mengembangkan Laser Terahertz Portabel untuk Penginderaan dan Pencitraan yang Kuat

Gambar pemindaian mikroskop elektron (SEM) dari perangkat laser cascading kuantum terahertz (QCL). Kredit: Atas kebaikan para peneliti

Alat tersebut dapat menghadirkan kemampuan penginderaan dan pencitraan yang kuat di luar lab dan ke rumah sakit, bandara, atau lingkungan lain.

Mencari Dengan dan kamu Universitas Waterloo telah mengembangkan versi portabel berdaya tinggi dari perangkat yang disebut laser kaskade kuantum, yang dapat menghasilkan radiasi terahertz di luar lingkungan laboratorium. Laser dapat digunakan dalam aplikasi seperti mengidentifikasi kanker kulit dan mendeteksi bahan peledak tersembunyi.

Hingga saat ini, generasi radiasi terahertz cukup kuat untuk membuat pencitraan waktu nyata dan pengukuran spektral cepat membutuhkan suhu di bawah 200 kelvin (-100 derajat) Fahrenheit) atau lebih rendah. Suhu ini hanya dapat dicapai dengan perangkat besar yang membatasi penggunaan teknologi pada lingkungan laboratorium. Dalam sebuah artikel yang diterbitkan pada 2 November 2020, di Photonics of Nature, Profesor Terhormat Teknik Elektro dan Ilmu Komputer MIT Qing Hu dan rekannya mengatakan bahwa laser kuantum terahertz dapat beroperasi pada suhu hingga 250 K (-10 F), yang berarti bahwa hanya dibutuhkan lemari es portabel yang ringkas.

Laser Portabel Terahertz

Pada foto di sebelah kanan, Anda dapat melihat chip laser kecil dengan pendingin termoelektrik di blok di sebelah cangkir kopi. Bagian bawahnya adalah cryo-cooler yang bagus. Di sebelah kiri, Anda bisa melihat QCL terahertz kecil. Kredit: Atas kebaikan para peneliti

Laser kaskade kuantum Terahertz, perangkat laser semikonduktor kecil dengan chip, pertama kali ditemukan pada tahun 2002, tetapi mengadaptasinya untuk beroperasi jauh di atas 200 K sangatlah sulit sehingga banyak orang di lapangan berspekulasi bahwa ada alasan fisik mendasar yang mencegahnya, kata Hu.

“Dengan suhu pengoperasian yang tinggi, kami akhirnya dapat menempatkan ini ke dalam sistem portabel yang ringkas dan mengeluarkan teknologi canggih ini dari lab,” kata Hu. “Ini akan memungkinkan terahertz portabel dan sistem pencitraan spektral yang akan berdampak langsung pada aplikasi luas di bidang kedokteran, biokimia, keselamatan, dan bidang lainnya.”

Dia memulai penelitian tentang frekuensi terahertz – pita spektrum elektromagnetik antara gelombang mikro dan gamma inframerah – pada tahun 1991.

“Saya butuh 11 tahun dan tiga generasi siswa untuk membuat milik kita [terahertz quantum cascade laser] pada 2002, ”katanya. Sejak itu, suhu operasi maksimum yang membatasi penggunaan radiasi terahertz tetap di bawah suhu kamar. Maksimum 250 K yang dilaporkan dalam dokumen ini merupakan lompatan yang cukup besar dari maksimum sebelumnya 210 K, yang ditetapkan pada 2019, mengalahkan rekor 2012 sebelumnya sebesar 200 K yang tetap utuh selama tujuh tahun.

Laser, yang panjangnya hanya beberapa milimeter dan lebih tipis dari rambut manusia, adalah struktur yang terkuantisasi dengan baik dengan sumur dan penghalang yang disesuaikan dengan cermat. Di dalam struktur, elektron “jatuh” ke bawah semacam skala, memancarkan partikel cahaya, atau foton, pada setiap langkah.

Inovasi penting yang dijelaskan di u Photonics of Nature kertas itu menggandakan tinggi penghalang di laser untuk mencegah lepasnya elektron, sebuah fenomena yang cenderung meningkat pada suhu tinggi.

“Kami menyadari bahwa kebocoran elektron di atas penghalang adalah pembunuhnya,” menyebabkan sistem rusak jika tidak didinginkan dengan cryostat, kata Hu. “Jadi, kami memasang penghalang yang lebih tinggi untuk mencegah kebocoran, dan itu menjadi kunci perubahan haluan.”

Sebelumnya, penghalang yang lebih tinggi dieksplorasi secara sporadis, tetapi mereka memberikan hasil yang lebih rendah, kata Hu. Pendapat umum adalah bahwa peningkatan hamburan elektron yang terkait dengan hambatan atas berbahaya, dan oleh karena itu hambatan yang lebih tinggi harus dihindari.

Tim peneliti mengembangkan parameter yang benar untuk struktur pita untuk hambatan tinggi dan skema pengoptimalan baru secara konseptual untuk desain.

Inovasi ini telah digabungkan dengan “skema fonon langsung” yang membuat laser bekerja dalam konfigurasi di mana tingkat penguat yang lebih rendah dari setiap modul, atau langkah-langkah skala struktur, dengan cepat dihilangkan oleh elektron melalui fonon ( atau satuan energi getaran) menyebar dalam keadaan dasar, yang kemudian berfungsi sebagai injektor elektron di tingkat atas pada langkah berikutnya, dan proses tersebut diulangi. Susunan elektron seperti itu dalam sistem sangat penting untuk penguat yang terjadi, seperti yang pertama kali diprediksi oleh Albert Einstein pada tahun 1916.

“Ini adalah struktur yang sangat kompleks dengan sekitar 15.000 antarmuka antara sumur kuantum dan penghalang, setengahnya bahkan bukan tujuh lapisan atom tebal,” kata rekan penulis Zbig Wasilewski, profesor teknik listrik dan komputer dan Universitas Waterloo. Diberkahi Kursi di Nanoteknologi. “Kualitas dan reproduktifitas antarmuka ini sangat penting bagi kinerja laser terahertz. Kami menginginkan yang terbaik dalam kemampuan pertumbuhan epitaxial molekuler – kontribusi utama tim riset kami – bersama dengan keahlian kolaborator MIT kami dalam pemodelan dan pembuatan perangkat kuantum, untuk membuat kemajuan penting di bidang ini. penantang photonics THz. “

Dalam lingkungan medis, sistem portabel baru, yang mencakup kamera saku dan detektor dan dapat beroperasi di mana saja dengan stopkontak listrik, dapat memberikan pencitraan waktu nyata selama pemeriksaan kanker kulit biasa atau bahkan selama prosedur. operasi untuk mengangkat jaringan kanker kulit. Sel kanker muncul dengan sendirinya “sangat dramatis pada terahertz” karena mereka memiliki konsentrasi air dan darah yang lebih tinggi daripada sel normal, kata Hu.

Teknologi ini juga dapat diterapkan di banyak industri di mana deteksi benda asing dalam suatu produk diperlukan untuk memastikan keamanan dan kualitasnya.

Deteksi gas, obat-obatan, dan bahan peledak dapat menjadi sangat canggih dengan penggunaan radiasi terahertz. Misalnya, senyawa seperti hidroksida, agen perusak ozon, memiliki “sidik jari” spektral khusus dalam rentang frekuensi terahertz, seperti obat-obatan termasuk metamfetamin dan heroin, dan bahan peledak termasuk TNT.

“Kami tidak hanya dapat melihat objek melalui bahan yang buram secara optik, tetapi kami juga dapat mengidentifikasi zat,” kata Hu.

Benjamin Williams, seorang profesor di Departemen Teknik Elektro dan Komputer di Universitas California di Los Angeles, mengatakan penelitian baru ini membuka jalan untuk kemajuan masa depan. “Pekerjaan MIT / Waterloo penting karena telah menunjukkan operasi pada 250 K. Meskipun tidak pada suhu kamar, hasil ini menunjukkan bahwa ada kemungkinan nyata untuk perbaikan lebih lanjut,” kata Williams. “Dengan kata lain, ‘permainan selalu aktif’ untuk semua kelompok yang bekerja di bidang ini.”

Dia mengatakan dia melihat “jalan yang jelas” menuju tujuan untuk dapat menghasilkan terahertz yang kuat tanpa membutuhkan mahasiswa baru.

“Menggunakan skema fonem langsung dan hambatan yang lebih tinggi adalah cara untuk melakukannya,” katanya. “Saya akhirnya bisa melihat cahaya di ujung terowongan saat kita mencapai suhu kamar.”

Referensi: “Sistem Laser Terahertz Portabel Daya Tinggi” oleh Ali Khalatpour, Andrew K. Paulsen, Chris Deimert, Zbig R. Wasilewski dan Qing Hu, 2 November 2020, Photonics of Nature.
DOI: 10.1038 / s41566-020-00707-5

Penelitian ini didanai oleh NASA dan Dewan Penelitian Ilmu Pengetahuan Alam dan Teknik Kanada.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Diet junk food dapat meningkatkan risiko mengemudi berbahaya di antara pengemudi truk

Diet tidak sehat yang terkait dengan kelelahan yang lebih besar: Faktor kunci dalam peningkatan risiko kecelakaan, kata para peneliti. Pola makan yang tidak sehat dapat...

Fotosintesis buatan menjanjikan sumber energi yang bersih dan berkelanjutan

Manusia dapat melakukan banyak hal yang tidak dapat dilakukan oleh tumbuhan. Kita bisa berjalan, berbicara, mendengarkan, melihat dan menyentuh. Tetapi tanaman memiliki...

Es laut di pantai Arktik menipis secepat yang saya kira

Es Arktik yang menurun bisa dibilang salah satu korban terbesar perubahan iklim, dan dampaknya sangat luas, dari keadaan beruang kutub yang ikonik dan satwa...

Dinosaurus terbesar di Australia – “Titan Selatan” – baru saja memasuki buku rekor!

Kolaborasi Australia, "Titan Cooper Selatan." Penulis: Vlad Konstantinov, Scott Hoknul © Museum Sejarah Alam Eromanga Apa lapangan basket yang lebih tinggi dari b-double, dan...

Maju dengan roket SLS Moon raksasa, pertemuan dekat dengan Ganymede dan gerhana cincin api

Inti roket Space Launch System (SLS) seberat 188.000 pon telah naik ke peluncur bergerak, di antara dua pendorong roket padat. Kredit: NASA Bergerak maju...

Newsletter

Subscribe to stay updated.