Radiação Terahertz - Terahertz radiation

Tremendamente alta frequência
Alcance de frequência
0,3 THz a 3 THz
Faixa de comprimento de onda
1 mm a 100 μm
As ondas Terahertz ficam na extremidade da banda infravermelha, pouco antes do início da banda de micro-ondas.

Terahertz radiação - também conhecida como radiação submillimeter , ondas terahertz , tremendamente alta frequência ( THF ), t-raios , ondas T , T-luz , t-lux ou THz  - consiste de ondas electromagnéticas dentro do ITU -designated banda de frequências a partir de 0,3 a 3  terahertz (THz), embora o limite superior seja um tanto arbitrário e seja considerado por algumas fontes como 30 THz. Um terahertz é 10 12  Hz ou 1000 GHz. Os comprimentos de onda da radiação na banda terahertz variam correspondentemente de 1 mm a 0,01 mm = 10 µm. Como a radiação terahertz começa em um comprimento de onda de cerca de 1 milímetro e prossegue em comprimentos de onda mais curtos, às vezes é conhecida como banda submilimétrica e sua radiação como ondas submilimétricas , especialmente em astronomia . Esta banda de radiação eletromagnética encontra-se na região de transição entre microondas e infravermelho distante e pode ser considerada como uma das duas.

A radiação Terahertz é fortemente absorvida pelos gases da atmosfera , e no ar é atenuada a zero em poucos metros, portanto, não é prática para comunicação de rádio terrestre . Ele pode penetrar em camadas finas de materiais, mas é bloqueado por objetos mais grossos. Feixes THz transmitidos através de materiais podem ser usados ​​para caracterização de materiais , inspeção de camadas e como uma alternativa de baixa energia aos raios X para a produção de imagens de alta resolução do interior de objetos sólidos.

A radiação Terahertz ocupa um meio-termo onde os intervalos de microondas e ondas de luz infravermelha se sobrepõem, conhecido como “ lacuna de terahertz ”; é chamado de “lacuna” porque a tecnologia para sua geração e manipulação ainda está em sua infância. A geração e modulação de ondas eletromagnéticas nesta faixa de frequência deixa de ser possível pelos dispositivos eletrônicos convencionais usados ​​para gerar ondas de rádio e microondas, exigindo o desenvolvimento de novos dispositivos e técnicas.

Introdução

Em sistemas THz-TDS, uma vez que a versão no domínio do tempo do sinal THz está disponível, os efeitos de distorção da difração podem ser suprimidos.

A radiação Terahertz fica entre a radiação infravermelha e a radiação de microondas no espectro eletromagnético e compartilha algumas propriedades com cada uma delas. A radiação Terahertz viaja em uma linha de visão e não é ionizante . Como as microondas, a radiação terahertz pode penetrar em uma ampla variedade de materiais não condutores ; roupas, papel, papelão , madeira, alvenaria , plástico e cerâmica . A profundidade de penetração é normalmente menor do que a radiação de microondas. Como o infravermelho, a radiação terahertz tem penetração limitada através da névoa e nuvens e não pode penetrar água líquida ou metal. A radiação Terahertz pode penetrar a certa distância através do tecido corporal como os raios X, mas, ao contrário deles, não é ionizante , por isso é interessante como um substituto para os raios X médicos. Devido ao seu comprimento de onda mais longo, as imagens feitas com ondas terahertz têm resolução menor do que os raios X e precisam ser aprimoradas (veja a figura à direita).

A atmosfera terrestre é um forte absorvedor de radiação terahertz, portanto, o alcance da radiação terahertz no ar é limitado a dezenas de metros, tornando-a inadequada para comunicações de longa distância. No entanto, a distâncias de ~ 10 metros, a banda ainda pode permitir muitas aplicações úteis em imagem e construção de sistemas de rede sem fio de alta largura de banda , especialmente sistemas internos. Além disso, a produção e detecção de radiação terahertz coerente continua sendo um desafio técnico, embora fontes comerciais baratas existam agora na faixa de 0,3-1,0 THz (a parte inferior do espectro), incluindo girotrons , osciladores de onda reversa e diodos de tunelamento ressonante .

Terahertz versus ondas submilimétricas

A banda terahertz, cobrindo a faixa de comprimento de onda entre 0,1–1 mm, é idêntica à banda de comprimento de onda submilimétrico. No entanto, normalmente, o termo "terahertz" é usado com mais frequência em marketing em relação à geração e detecção com lasers pulsados, como na espectroscopia de domínio do tempo terahertz , enquanto o termo "submilímetro" é usado para geração e detecção com tecnologia de microondas, como multiplicação harmônica.

Fontes

Natural

A radiação Terahertz é emitida como parte da radiação do corpo negro de qualquer coisa com uma temperatura superior a cerca de 2  Kelvin . Embora essa emissão térmica seja muito fraca, as observações nessas frequências são importantes para caracterizar a poeira cósmica fria de 10–20  K em nuvens interestelares na galáxia da Via Láctea e em galáxias estelares distantes .

Os telescópios operando nesta banda incluem o Telescópio James Clerk Maxwell , o Observatório Submilímetro Caltech e o Array Submilímetro no Observatório Mauna Kea no Havaí, o telescópio BLAST transportado por balão, o Observatório Espacial Herschel , o Telescópio Submilímetro Heinrich Hertz no Observatório Internacional Mount Graham no Arizona, e no recém-construído Atacama Large Millimeter Array . Devido ao espectro de absorção atmosférica da Terra, a opacidade da atmosfera à radiação submilimétrica restringe esses observatórios a locais de altitudes muito elevadas ou ao espaço.

Artificial

A partir de 2012, as fontes viáveis ​​de radiação terahertz são o girotron , o oscilador de onda inversa ("BWO"), o laser infravermelho distante de gás orgânico , multiplicadores de diodo Schottky , multiplicadores de varator ( varicap ), laser de cascata quântica , laser de elétrons livres , síncrotron fontes de luz , fontes de fotomixação , fontes de ciclo único ou pulsadas usadas em espectroscopia de domínio de tempo terahertz , como fotocondutores, campo de superfície, fotocondutores, fotodembrantes e emissores de retificação óptica e osciladores eletrônicos baseados em diodos de tunelamento ressonantes operam até 700 GHz .

Também existem fontes de estado sólido de ondas milimétricas e submilimétricas há muitos anos. A AB Millimeter em Paris, por exemplo, produz um sistema que cobre toda a faixa de 8 GHz a 1000 GHz com fontes e detectores de estado sólido. Hoje em dia, a maior parte do trabalho no domínio do tempo é feita por meio de lasers ultrarrápidos.

Em meados de 2007, cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos Estados Unidos , junto com colaboradores na Turquia e no Japão, anunciaram a criação de um dispositivo compacto que poderia levar a fontes de radiação terahertz portáteis operadas por bateria. O dispositivo usa cristais supercondutores de alta temperatura, cultivados na Universidade de Tsukuba, no Japão. Esses cristais são formados por pilhas de junções Josephson , que exibem uma propriedade conhecida como efeito Josephson : quando a tensão externa é aplicada, a corrente alternada flui pelas junções em uma frequência proporcional à tensão. Essa corrente alternada induz um campo eletromagnético . Uma pequena tensão (cerca de dois milivolts por junção) pode induzir frequências na faixa de terahertz.

Em 2008, engenheiros da Universidade de Harvard alcançaram a emissão à temperatura ambiente de várias centenas de nanowatts de radiação terahertz coerente usando uma fonte semicondutora. A radiação THz foi gerada por mistura não linear de dois modos em um laser em cascata quântica no infravermelho médio . Fontes anteriores exigiam resfriamento criogênico, o que limitava muito seu uso em aplicações diárias.

Em 2009, foi descoberto que o ato de descascar a fita adesiva gera radiação terahertz não polarizada, com pico estreito a 2 THz e pico mais largo a 18 THz. O mecanismo de sua criação é o tribocarregamento da fita adesiva e posterior descarga; isto foi hipotetizado para envolver bremsstrahlung com absorção ou densidade de energia focando durante a quebra dielétrica de um gás.

Em 2013, pesquisadores do Georgia Institute of Technology 's Broadband Wireless Networking e da Polytechnic University of Catalonia desenvolveram um método para criar uma antena de grafeno : uma antena que seria moldada em tiras de grafeno de 10 a 100 nanômetros de largura e um micrômetro de comprimento. Essa antena pode ser usada para emitir ondas de rádio na faixa de freqüência terahertz.

Pesquisar

Imagens médicas

Ao contrário dos raios X , a radiação terahertz não é radiação ionizante e suas baixas energias de fótons em geral não danificam os tecidos vivos e o DNA . Algumas frequências de radiação terahertz podem penetrar vários milímetros de tecido com baixo teor de água (por exemplo, tecido adiposo) e refletir de volta. A radiação Terahertz também pode detectar diferenças no conteúdo de água e na densidade de um tecido. Esses métodos podem permitir a detecção eficaz de câncer epitelial com um sistema de imagem seguro, não invasivo e indolor. Em resposta à demanda por COVID-19, a espectroscopia e a imagem em terahertz de triagem foram propostas como uma ferramenta de triagem rápida.

As primeiras imagens geradas com radiação terahertz datam da década de 1960; no entanto, em 1995, as imagens geradas usando espectroscopia no domínio do tempo terahertz geraram um grande interesse.

Algumas frequências de radiação terahertz podem ser usadas para imagens 3D de dentes e podem ser mais precisas do que imagens convencionais de raios-X em odontologia .

Segurança

A radiação Terahertz pode penetrar em tecidos e plásticos, então pode ser usada em vigilância , como triagem de segurança , para descobrir armas escondidas em uma pessoa, remotamente. Isso é de particular interesse porque muitos materiais de interesse têm "impressões digitais" espectrais exclusivas na faixa de terahertz. Isso oferece a possibilidade de combinar a identificação espectral com a imagem. Em 2002, a equipe Star Tiger da Agência Espacial Européia (ESA), baseada no Laboratório Rutherford Appleton (Oxfordshire, Reino Unido), produziu a primeira imagem terahertz passiva de uma mão. Em 2004, a ThruVision Ltd, um spin-out do Laboratório Rutherford Appleton do Conselho para o Laboratório Central dos Conselhos de Pesquisa (CCLRC), demonstrou a primeira câmera THz compacta do mundo para aplicações de triagem de segurança. O sistema de protótipo conseguiu imagens de armas e explosivos escondidos sob as roupas. A detecção passiva de assinaturas de terahertz evita as preocupações com a privacidade corporal de outra detecção, sendo direcionada a uma gama muito específica de materiais e objetos.

Em janeiro de 2013, o NYPD anunciou planos de experimentar a nova tecnologia para detectar armas escondidas , o que levou o blogueiro de Miami e ativista de privacidade Jonathan Corbett a abrir um processo contra o departamento no tribunal federal de Manhattan no mesmo mês, contestando o uso: "Para milhares de anos, os humanos têm usado roupas para proteger sua modéstia e razoavelmente mantiveram a expectativa de privacidade para qualquer coisa dentro de suas roupas, já que nenhum ser humano é capaz de ver através delas. " Ele buscou uma ordem judicial para proibir o uso da tecnologia sem suspeita razoável ou causa provável. No início de 2017, o departamento disse que não tinha intenção de usar os sensores que lhe foram fornecidos pelo governo federal.

Uso científico e imagem

Além de seu uso atual na astronomia submilimétrica , a espectroscopia de radiação terahertz pode fornecer novas fontes de informação para química e bioquímica .

Métodos recentemente desenvolvidos de espectroscopia no domínio do tempo THz (THz TDS) e tomografia THz mostraram ser capazes de obter imagens de amostras opacas nas regiões visível e infravermelho próximo do espectro. A utilidade de THz-TDS é limitada quando a amostra é muito fina, ou tem uma baixa absorvância , uma vez que é muito difícil distinguir as mudanças no pulso de THz causadas pela amostra daquelas causadas por flutuações de longo prazo na fonte de laser de acionamento ou experimento. No entanto, o THz-TDS produz radiação que é coerente e espectralmente ampla, de modo que essas imagens podem conter muito mais informações do que uma imagem convencional formada com uma fonte de frequência única.

As ondas submilimétricas são usadas na física para estudar materiais em campos magnéticos altos, uma vez que em campos altos (mais de 11  tesla ), as frequências de Larmor de spin do elétron estão na banda submilimétrica. Muitos laboratórios de campo magnético de alta realizam esses experimentos EPR de alta frequência , como o National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) na Flórida.

A radiação Terahertz pode permitir que historiadores de arte vejam murais escondidos sob camadas de gesso ou tinta em edifícios centenários, sem prejudicar a obra de arte.

Além disso, a imagem THz foi feita com antenas de lente para capturar a imagem de rádio do objeto.

Aceleração de wakefield dielétrica conduzida por THz

Novos tipos de aceleradores de partículas que podem atingir gradientes de aceleração de vários Gigaeletron por metro (GeV / m) são de extrema importância para reduzir o tamanho e o custo das gerações futuras de coletores de alta energia, bem como fornecer uma ampla disponibilidade de tecnologia de acelerador compacto para laboratórios menores em todo o mundo. Gradientes na ordem de 100 MeV / m foram alcançados por técnicas convencionais e são limitados pela quebra de plasma induzida por RF. Os aceleradores wakefield dielétricos acionados por feixe (DWAs) normalmente operam na faixa de frequência Terahertz, que empurra o limite de decomposição do plasma para campos elétricos de superfície na faixa multi-GV / m. A técnica DWA permite acomodar uma quantidade significativa de carga por cacho e dá acesso às técnicas convencionais de fabricação para as estruturas de aceleração. Até o momento, gradientes de aceleração de 0,3 GeV / m e desaceleração de 1,3 GeV / m foram alcançados usando um guia de onda revestido de dielétrico com abertura transversal sub-milimétrica.

Um gradiente de aceleração maior que 1 GeV / m pode ser potencialmente produzido pelo mecanismo radiativo Cherenkov Smith-Purcell em um capilar dielétrico com um raio interno variável. Quando um feixe de elétrons se propaga através do capilar, seu autocampo interage com o material dielétrico e produz wakefields que se propagam dentro do material no ângulo de Cherenkov. Os wakefields são desacelerados abaixo da velocidade da luz, pois a permissividade dielétrica relativa do material é maior do que 1. A radiação é então refletida do limite metálico do capilar e difratada de volta para a região do vácuo, produzindo campos de alta aceleração no eixo capilar com uma assinatura de frequência distinta. Na presença de um limite periódico, a radiação Smith-Purcell impõe dispersão de frequência.

Um estudo preliminar com capilares corrugados mostrou algumas modificações no conteúdo espectral e na amplitude dos wakefields gerados, mas a possibilidade de usar o efeito Smith-Purcell em DWA ainda está em consideração.

Comunicação

Em maio de 2012, uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio publicou na Electronics Letters que havia estabelecido um novo recorde para transmissão de dados sem fio usando raios T e propôs que eles fossem usados ​​como largura de banda para transmissão de dados no futuro. O dispositivo de prova de conceito da equipe usou um oscilador de resistência negativa de diodo de tunelamento ressonante (RTD) para produzir ondas na banda terahertz. Com este RTD, os pesquisadores enviaram um sinal a 542 GHz, resultando em uma taxa de transferência de dados de 3 Gigabits por segundo. Ele dobrou o recorde de taxa de transmissão de dados estabelecido em novembro anterior. O estudo sugeriu que o Wi-Fi usando o sistema seria limitado a aproximadamente 10 metros (33 pés), mas poderia permitir a transmissão de dados a até 100 Gbit / s. Em 2011, a fabricante japonesa de peças eletrônicas Rohm e uma equipe de pesquisa da Universidade de Osaka produziram um chip capaz de transmitir 1,5 Gbit / s usando radiação terahertz.

Usos potenciais existem em telecomunicações de alta altitude, acima de altitudes onde o vapor de água causa absorção de sinal: aeronave para satélite ou satélite para satélite.

Radioamador

Várias administrações permitem a experimentação de radioamadorismo na faixa de 275–3000 GHz ou em frequências ainda mais altas em uma base nacional, sob condições de licença que geralmente são baseadas em RR5.565 dos Regulamentos de Rádio da UIT . Operadores de rádio amadores que utilizam frequências submilimétricas freqüentemente tentam estabelecer recordes de distância de comunicação bidirecional. Nos EUA, WA1ZMS e W4WWQ estabeleceram um recorde de 1,42 quilômetros (0,88 mi) em 403 GHz usando CW (código Morse) em 21 de dezembro de 2004. Na Austrália , a 30 THz uma distância de 60 metros (200 pés) foi alcançada pelas estações VK3CV e VK3LN em 8 de novembro de 2020.

Manufatura

Muitos usos possíveis de sensoriamento e imagem terahertz são propostos na fabricação , controle de qualidade e monitoramento de processos . Estes, em geral, exploram as características de plásticos e papelão serem transparentes à radiação terahertz, tornando possível inspecionar produtos embalados . O primeiro sistema de imagem baseado em espectroscopia optoeletrônica de terahertz no domínio do tempo foi desenvolvido em 1995 por pesquisadores da AT&T Bell Laboratories e foi usado para produzir uma imagem de transmissão de um chip eletrônico empacotado. Este sistema usava feixes de laser pulsado com duração na faixa de picossegundos. Desde então, os sistemas de imagem terahertz comerciais / de pesquisa comumente usados ​​têm usado lasers pulsados ​​para gerar imagens terahertz. A imagem pode ser desenvolvida com base na atenuação ou no atraso de fase do pulso terahertz transmitido.

Como o feixe está mais espalhado nas bordas e também diferentes materiais possuem diferentes coeficientes de absorção, as imagens baseadas na atenuação indicam bordas e diferentes materiais dentro de um objeto. Esta abordagem é semelhante à imagem de transmissão de raios-X , em que as imagens são desenvolvidas com base na atenuação do feixe transmitido.

Na segunda abordagem, imagens terahertz são desenvolvidas com base no atraso de tempo do pulso recebido. Nessa abordagem, as partes mais grossas dos objetos são bem reconhecidas, pois as partes mais grossas causam mais atraso no pulso. A energia dos pontos de laser é distribuída por uma função gaussiana . A geometria e o comportamento do feixe gaussiano na região de Fraunhofer implicam que os feixes eletromagnéticos divergem mais conforme as frequências dos feixes diminuem e, portanto, a resolução diminui. Isso implica que os sistemas de imagem terahertz têm resolução mais alta do que o microscópio acústico de varredura (SAM), mas resolução mais baixa do que os sistemas de imagem de raios-X . Embora o terahertz possa ser usado para inspeção de objetos embalados, ele sofre de baixa resolução para inspeções finas. A imagem de raios X e as imagens em terahertz de um chip eletrônico são mostradas na figura à direita. Obviamente, a resolução do raio X é maior do que a da imagem terahertz, mas o raio X é ionizante e pode impor efeitos nocivos a certos objetos, como semicondutores e tecidos vivos.

Para superar a baixa resolução dos sistemas terahertz, sistemas de imagem terahertz de campo próximo estão em desenvolvimento. Na imagem de campo próximo, o detector precisa estar localizado muito perto da superfície do avião e, portanto, a imagem dos objetos compactados grossos pode não ser viável. Em outra tentativa de aumentar a resolução, feixes de laser com frequências superiores a terahertz são usados ​​para excitar as junções pn em objetos semicondutores, as junções excitadas geram radiação terahertz como resultado, desde que seus contatos não sejam interrompidos e, desta forma, dispositivos danificados podem ser detectou. Nesta abordagem, uma vez que a absorção aumenta exponencialmente com a frequência, novamente a inspeção dos semicondutores compactados espessos pode não ser factível. Consequentemente, uma compensação entre a resolução alcançável e a espessura da penetração do feixe no material de embalagem deve ser considerada.

Segurança

A região de terahertz está entre a região de radiofrequência e a região óptica do laser. Tanto o padrão de segurança IEEE RF quanto o padrão de segurança ANSI Laser têm limites na região de terahertz, mas ambos os limites de segurança são baseados em extrapolação. Espera-se que os efeitos nos tecidos sejam de natureza térmica e, portanto, previsíveis por modelos térmicos convencionais. A pesquisa está em andamento para coletar dados para povoar essa região do espectro e validar os limites de segurança.

Um estudo publicado em 2010 e conduzido por Boian S. Alexandrov e colegas do Center for Nonlinear Studies do Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México, criou modelos matemáticos prevendo como a radiação terahertz interagiria com o DNA de fita dupla , mostrando que, mesmo com as forças envolvidas parecem ser minúsculas, ressonâncias não lineares (embora muito menos prováveis ​​de se formarem do que ressonâncias comuns menos poderosas) podem permitir que ondas terahertz "descompactem o DNA de fita dupla, criando bolhas na fita dupla que podem interferir significativamente em processos como a expressão gênica e Replicação de DNA ". A verificação experimental desta simulação não foi feita. Uma análise recente deste trabalho conclui que as bolhas de DNA não ocorrem sob suposições físicas razoáveis ​​ou se os efeitos da temperatura são levados em consideração. A intensidade do raio T cai para menos de 1% nos primeiros 500 μm de pele .

Veja também

Referências

links externos