Pesquisadores criaram um dispositivo exclusivo que desbloqueará os elusivos comprimentos de onda terahertz e possibilitará novas tecnologias revolucionárias.
As ondas terahertz (THz) situam-se entre as micro-ondas e o infravermelho no espectro de frequência da luz, mas, devido à sua baixa energia, os cientistas não conseguiram aproveitar seu potencial. O enigma é conhecido nos círculos científicos como “lacuna de terahertz”.
A capacidade de detectar e amplificar as ondas THz (raios T) abriria uma nova era de tecnologias médicas, de comunicação, de satélite, cosmológicas e outras. Uma das principais aplicações seria como uma alternativa segura e não destrutiva aos raios X. No entanto, até o momento, os comprimentos de onda, que variam entre 3 mm e 30 μm, mostraram-se impossíveis de usar devido aos sinais relativamente fracos de todas as fontes existentes.
Uma equipe de físicos criou um novo tipo de transistor óptico – um amplificador de THz funcional – usando grafeno e um supercondutor de alta temperatura. A física por trás do amplificador simples se baseia nas propriedades do grafeno, que é transparente e não é sensível à luz e cujos elétrons não têm massa. Ele é composto por duas camadas de grafeno e um supercondutor que prende os elétrons sem massa do grafeno entre elas, como um sanduíche.
O dispositivo é então conectado a uma fonte de energia. Quando a radiação THz atinge a camada externa de grafeno, as partículas presas em seu interior se ligam às ondas de saída, amplificando-as. O professor Fedor Kusmartsev, do Departamento de Física de Loughborough, disse: “Quando a luz THz incide sobre o sanduíche, ela é refletida, como um espelho”.
“O ponto principal é que haverá mais luz refletida do que incidindo sobre o dispositivo. Ele funciona porque a energia externa é fornecida por uma bateria ou pela luz que atinge a superfície a partir de outras frequências mais altas do espectro eletromagnético. Os fótons THz são transformados pelo grafeno em elétrons sem massa, que, por sua vez, são transformados novamente em fótons THz refletidos e energizados. Devido a essa transformação, os fótons THz recebem energia do grafeno – ou da bateria – e os sinais fracos de THz são amplificados.”
A descoberta foi publicada na Physical Review Letters. A equipe continua a desenvolver o dispositivo e espera ter protótipos prontos para testes em breve. O Prof. Kusmartsev disse que eles esperam ter um amplificador funcional pronto para comercialização em cerca de um ano. Ele acrescentou que esse dispositivo melhoraria muito a tecnologia atual e permitiria que os cientistas revelassem mais sobre o cérebro humano.
“O universo está repleto de radiação e sinais de terahertz; de fato, todos os organismos bi24ológicos absorvem e emitem essa radiação. Espero que, com esse amplificador disponível, possamos descobrir muitos mistérios da natureza, por exemplo, como as reações químicas e os processos biológicos estão ocorrendo, ou como nosso cérebro funciona e como pensamos. A faixa de terahertz é a última frequência de radiação a ser adotada pela humanidade. As micro-ondas, o infravermelho, o visível, os raios X e outras larguras de banda são vitais para inúmeros avanços científicos e tecnológicos.
“Ela tem propriedades que melhorariam muito vastas áreas da ciência, como imagens, espectroscopia, tomografia, diagnóstico médico, monitoramento da saúde, controle ambiental e identificação química e biológica.
“O dispositivo que desenvolvemos permitirá que cientistas e engenheiros aproveitem a ilusória largura de banda e criem a próxima geração de equipamentos médicos, hardware de detecção e tecnologia de comunicação sem fio.”
Mais informações: Optical transistor for amplification of radiation in a broadband terahertz domain, Physical Review Letters (2020). https://arxiv.org/abs/1812.01182