Американские и канадские ученые разработали портативное устройство, которое может генерировать мощное терагерцовое излучение вне лабораторных условий. Такой лазер поможет диагностировать рак кожи в больницах и обнаруживать скрытые взрывчатые вещества в аэропортах. Описание разработки приведено в журнале Nature Photonics.
До сих пор для генерации терагерцового излучения, достаточно мощного, чтобы получать изображения в режиме реального времени, требовались температуры ниже 200 Кельвинов. Такие температуры могут быть достигнуты только с помощью громоздкого лабораторного оборудования.
Исследователи из Массачусетского технологического института в США и канадского Университета Ватерлоо разработали портативную версию мощного терагерцового квантового каскадного лазера, который может работать при температуре 250 Кельвинов (минус 23 градуса Цельсия). Для этого ему требуется лишь небольшое охлаждающее устройство.
Терагерцовые квантовые каскадные лазеры — крошечные полупроводниковые устройства со встроенными микросхемами, были впервые изобретены в 2002 году. Но адаптация их для работы при температурах выше 200 Кельвинов оказалась настолько сложной, что многие специалисты отказались от самой идеи создания на их основе портативных устройств. Североамериканским ученым это удалось.
"Благодаря высокой рабочей температуре мы наконец можем вывести эту революционную технологию из лаборатории, — приводятся в пресс-релизе слова руководителя исследования, заслуженного профессора электротехники и компьютерных наук Массачусетского технологического института Цин Ху (Qing Hu). — Это сделает возможным использование портативных терагерцовых изображений и спектральных систем в медицине, биохимии, сфере безопасности и других областях".
Профессор Ху начал исследования терагерцовых частот — полосы электромагнитного спектра между микроволнами и инфракрасным диапазоном — еще в 1991 году.
"Мне потребовалось 11 лет и три поколения студентов, чтобы сделать наш собственный терагерцовый квантовый каскадный лазер в 2002 году", — говорит ученый.
С тех пор он занимается совершенствованием своего устройства. Максимальное значение в 250 Кельвинов, указанное в этой статье, — значительный скачок по сравнению с предыдущим максимумом в 210 Кельвинов, который был установлен в 2019 году, побив предыдущий рекорд 2012 года в 200 Кельвинов, остававшийся неизменным в течение семи лет.
Авторам удалось решить еще одну проблему, с которой сталкиваются все разработчики лазерных систем, — предотвратить утечку электронов через квантовый барьер, которая увеличивается с ростом температуры.
"Утечка электронов — это убийца, — объясняет Ху. — Если система не охлаждается криостатом, она выходит из строя. Мы поставили более высокий барьер, чтобы предотвратить утечку, и это оказалось ключом к успеху".
Это нововведение исследователи объединили со "схемой прямых фононов", которая поддерживает работу лазера через конфигурацию, в которой нижние уровни генерации каждого модуля или ступеньки лестницы структуры быстро освобождаются от электронов через фононное рассеяние, квантовое состояние, связанное с колебательным движением атомов. Затем электроны переходят на следующий уровень лестницы, и процесс повторяется. О том, что такое расположение электронов необходимо для возникновения лазерной генерации, впервые написал еще Эйнштейн 1916 году.
Авторы говорят, что рассматривают полученный результат как очередной этап к достижению конечной цели — созданию мощного терагерцового лазера, работающего при комнатной температуре.
|