A radiação terahertz, cujos comprimentos de onda estão entre os das microondas e da luz visível, pode penetrar em muitos materiais não metálicos e detectar assinaturas de certas moléculas. Essas qualidades úteis podem se prestar a uma ampla gama de aplicações, incluindo varredura de segurança de aeroportos, controle de qualidade industrial, observações astrofísicas, caracterização não destrutiva de materiais e comunicações sem fio com largura de banda maior do que as bandas atuais de celulares.

No entanto, projetar dispositivos para detectar e fazer imagens de ondas terahertz tem sido um desafio, e a maioria dos dispositivos terahertz existentes são caros, lentos, volumosos e requerem sistemas de vácuo e temperaturas extremamente baixas.

Agora, pesquisadores do MIT, da Universidade de Minnesota e da Samsung desenvolveram um novo tipo de câmera que pode detectar pulsos de terahertz rapidamente, com alta sensibilidade e à temperatura e pressão ambiente. Além disso, ele pode capturar simultaneamente informações sobre a orientação, ou “polarização”, das ondas em tempo real, o que os dispositivos existentes não conseguem. Essas informações podem ser usadas para caracterizar materiais que possuem moléculas assimétricas ou para determinar a topografia da superfície dos materiais.

O novo sistema usa partículas chamadas pontos quânticos, que, como foi descoberto recentemente, podem emitir luz visível quando estimuladas por ondas terahertz. A luz visível pode então ser registrada por um dispositivo semelhante ao detector de uma câmera eletrônica padrão e pode até ser vista a olho nu. O dispositivo é descrito em um artigo publicado hoje na revista Nature Nanotechnology , pelo estudante de doutorado do MIT Jiaojian Shi, professor de química Keith Nelson e outros 12.

A equipe produziu dois dispositivos diferentes que podem operar em temperatura ambiente: um usa a capacidade do ponto quântico de converter pulsos de terahertz em luz visível, permitindo que o dispositivo produza imagens de materiais; a outra produz imagens que mostram o estado de polarização das ondas terahertz.

A nova “câmera” consiste em várias camadas, feitas com técnicas de fabricação padrão, como as usadas para microchips. Uma matriz de linhas paralelas de ouro em nanoescala, separadas por fendas estreitas, repousa sobre o substrato; acima disso está uma camada do material de ponto quântico emissor de luz; e acima disso está um chip CMOS usado para formar uma imagem. O detector de polarização, chamado de polarímetro, usa uma estrutura semelhante, mas com fendas em forma de anel em nanoescala, o que permite detectar a polarização dos feixes de entrada.

Os fótons da radiação terahertz têm energia extremamente baixa, explica Nelson, o que os torna difíceis de detectar. “Então, o que este dispositivo está fazendo é converter essa pequena energia de fóton em algo visível que é fácil de detectar com uma câmera comum”, diz ele. Nos experimentos da equipe, o dispositivo foi capaz de detectar pulsos de terahertz em níveis de baixa intensidade que superaram a capacidade dos sistemas grandes e caros de hoje.

Os pesquisadores demonstraram as capacidades do detector tirando fotos iluminadas em terahertz de algumas das estruturas usadas em seus dispositivos, como as linhas de ouro nano-espaçadas e as fendas em forma de anel usadas para o detector polarizado, comprovando a sensibilidade e a resolução de o sistema.

Desenvolver uma câmera terahertz prática requer um componente que produz ondas terahertz para iluminar um assunto e outro que as detecta. Neste último ponto, os detectores atuais de terahertz são muito lentos, porque dependem da detecção do calor gerado pelas ondas que atingem um material, e o calor se propaga lentamente, ou usam fotodetectores relativamente rápidos, mas com sensibilidade muito baixa. Além disso, até agora, a maioria das abordagens exigia toda uma série de detectores de terahertz, cada um produzindo um pixel da imagem. “Cada um é muito caro”, diz Shi, então “uma vez que eles começam a fazer uma câmera, o custo dos detectores começa a aumentar muito, muito rapidamente”.

Embora os pesquisadores digam que resolveram o problema de detecção de pulso terahertz com seu novo trabalho, a falta de boas fontes permanece – e está sendo trabalhada por muitos grupos de pesquisa em todo o mundo. A fonte terahertz usada no novo estudo é uma grande e complicada matriz de lasers e dispositivos ópticos que não podem ser facilmente dimensionados para aplicações práticas, diz Nelson, mas novas técnicas microeletrônicas baseadas em fontes estão bem em desenvolvimento.

“Acho que esse é realmente o passo limitante da taxa: você pode fazer os sinais [terahertz] de uma maneira fácil que não seja cara?” ele diz. “Mas não há dúvida de que está chegando.”

Sang-Hyun Oh, coautor do artigo e professor McKnight de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Minnesota, acrescenta que, embora as versões atuais das câmeras terahertz custem dezenas de milhares de dólares, a natureza barata das câmeras CMOS usadas para este sistema faz com que seja “um grande passo em direção à construção de uma câmera terahertz prática”. O potencial de comercialização levou a Samsung, que fabrica chips de câmera CMOS e dispositivos de ponto quântico, a colaborar nesta pesquisa.

Detectores tradicionais para tais comprimentos de onda operam em temperaturas de hélio líquido (-452 graus Fahrenheit), diz Nelson, o que é necessário para selecionar a energia extremamente baixa dos fótons terahertz do ruído de fundo. O fato de esse novo dispositivo poder detectar e produzir imagens desses comprimentos de onda com uma câmera convencional de luz visível à temperatura ambiente foi inesperado para aqueles que trabalham no campo terahertz. “As pessoas ficam tipo, 'O quê?' É meio inédito, e as pessoas ficam muito surpresas”, diz Oh.

Existem muitos caminhos para melhorar ainda mais a sensibilidade da nova câmera, dizem os pesquisadores, incluindo maior miniaturização dos componentes e formas de proteger os pontos quânticos. Mesmo nos níveis atuais de detecção, o dispositivo pode ter algumas aplicações em potencial, dizem eles.

Em termos de potencial de comercialização para o novo dispositivo, Nelson diz que os pontos quânticos agora são baratos e prontamente disponíveis, atualmente sendo usados ??em produtos de consumo, como telas de televisão. A fabricação real dos dispositivos de câmera é mais complexa, diz ele, mas também é baseada na tecnologia de microeletrônica existente. Na verdade, ao contrário dos detectores de terahertz existentes, todo o chip da câmera de terahertz pode ser fabricado usando os sistemas de produção de microchips padrão de hoje, o que significa que, em última análise, a produção em massa dos dispositivos deve ser possível e relativamente barata.

Já, embora o sistema de câmeras ainda esteja longe de ser comercializado, pesquisadores do MIT têm usado o novo dispositivo de laboratório quando precisam de uma maneira rápida de detectar a radiação terahertz. “Não possuímos uma dessas câmeras caras”, diz Nelson, “mas temos muitos desses pequenos dispositivos. As pessoas simplesmente colocam um desses no feixe e observam a emissão de luz visível para saber quando o feixe de terahertz está ligado. … As pessoas acharam muito útil.”

Embora as ondas terahertz possam, em princípio, ser usadas para detectar alguns fenômenos astrofísicos, essas fontes seriam extremamente fracas e o novo dispositivo não é capaz de capturar sinais tão fracos, diz Nelson, embora a equipe esteja trabalhando para melhorar sua sensibilidade. “A próxima geração está em tornar tudo menor, então será muito mais sensível”, diz ele.