Radiación de terahercios
Rango 300-3000 GHz del espectro electromagnético

Frecuencia tremendamente alta
Rango de frecuencia
De 0,3 THz a 3 THz
Rango de longitud de onda
1 mm a 100 μm
Bandas de radio
UIT
1 (ELFO) 2 (SLF) 3 (FLU) 4 (muy alto)
5 (LF) 6 (lunes a viernes) 7 (alta frecuencia) 8 (VHF)
9 (UHF) 10 (SHF-S) 11 (EHF)12 (THF)
UE/OTAN/EE.UU. ECM
IEEE
Otros programas de TV y radio
Las ondas de terahercios se encuentran en el extremo más alejado de la banda infrarroja, justo antes del comienzo de la banda de microondas.

La radiación de terahercios , también conocida como radiación submilimétrica , ondas de terahercios , frecuencia tremendamente alta [1] ( THF ), rayos T , ondas T , luz T , lux T o THz  , consiste en ondas electromagnéticas dentro de la banda de frecuencias designada por la UIT de 0,3 a 3  terahercios (THz), [2] aunque el límite superior es algo arbitrario y algunas fuentes lo consideran 30 THz. [3] Un terahercio es 10 12 Hz o 1000 GHz. Las longitudes de onda de la radiación en la banda de terahercios varían correspondientemente de 1 mm a 0,1 mm = 100 μm. Debido a que la radiación de terahercios comienza en una longitud de onda de alrededor de 1 milímetro y avanza hacia longitudes de onda más cortas, a veces se la conoce como banda submilimétrica y su radiación como ondas submilimétricas , especialmente en astronomía . Esta banda de radiación electromagnética se encuentra dentro de la región de transición entre las microondas y el infrarrojo lejano , y puede considerarse como cualquiera de ellos. 

En comparación con las frecuencias de radio más bajas, la radiación de terahercios es fuertemente absorbida por los gases de la atmósfera , y en el aire la mayor parte de la energía se atenúa en unos pocos metros, [4] [5] [6] por lo que no es práctica para la comunicación por radio terrestre de larga distancia . Puede penetrar capas delgadas de materiales, pero es bloqueada por objetos más gruesos. Los rayos de THz transmitidos a través de materiales se pueden utilizar para la caracterización de materiales , la inspección de capas, la medición del relieve, [7] y como una alternativa de menor energía a los rayos X para producir imágenes de alta resolución del interior de objetos sólidos. [8]

La radiación de terahercios ocupa un punto intermedio en el que se superponen los rangos de las microondas y las ondas de luz infrarrojas , conocido como " brecha de terahercios "; se llama "brecha" porque la tecnología para su generación y manipulación está todavía en pañales. La generación y modulación de ondas electromagnéticas en este rango de frecuencias deja de ser posible mediante los dispositivos electrónicos convencionales utilizados para generar ondas de radio y microondas, lo que requiere el desarrollo de nuevos dispositivos y técnicas.

Descripción

En los sistemas THz-TDS, dado que está disponible la versión de dominio temporal de la señal THz, se pueden suprimir los efectos de distorsión de la difracción. [9]

La radiación de terahercios se encuentra entre la radiación infrarroja y la radiación de microondas en el espectro electromagnético , y comparte algunas propiedades con cada una de ellas. La radiación de terahercios viaja en una línea de visión y no es ionizante . Al igual que las microondas, la radiación de terahercios puede penetrar una amplia variedad de materiales no conductores ; ropa, papel, cartón , madera, mampostería , plástico y cerámica . La profundidad de penetración es típicamente menor que la de la radiación de microondas. Al igual que la infrarroja, la radiación de terahercios tiene una penetración limitada a través de la niebla y las nubes y no puede penetrar el agua líquida o el metal. [10] La radiación de terahercios puede penetrar cierta distancia a través del tejido corporal como los rayos X, pero a diferencia de ellos no es ionizante , por lo que es de interés como reemplazo de los rayos X médicos. Debido a su longitud de onda más larga, las imágenes hechas con ondas de terahercios tienen una resolución menor que los rayos X y deben mejorarse (ver figura a la derecha). [9]

La atmósfera terrestre absorbe fuertemente la radiación de terahercios, por lo que el rango de radiación de terahercios en el aire está limitado a decenas de metros, lo que la hace inadecuada para comunicaciones de larga distancia. Sin embargo, a distancias de ~10 metros, la banda aún puede permitir muchas aplicaciones útiles en la generación de imágenes y la construcción de sistemas de redes inalámbricas de alto ancho de banda , especialmente sistemas interiores. Además, producir y detectar radiación coherente de terahercios sigue siendo un desafío técnico, aunque ahora existen fuentes comerciales económicas en el rango de 0,3 a 1,0 THz (la parte inferior del espectro), incluidos girotrones , osciladores de onda retrógrada y diodos de efecto túnel resonante . [ cita requerida ] Debido a la pequeña energía de los fotones de THz, los dispositivos de THz actuales requieren una temperatura baja durante el funcionamiento para suprimir el ruido ambiental. Por lo tanto, se han realizado enormes esfuerzos en la investigación de THz para mejorar la temperatura de funcionamiento, utilizando diferentes estrategias como los metadispositivos optomecánicos. [11] [12]

Fuentes

Natural

La radiación de terahercios se emite como parte de la radiación del cuerpo negro de cualquier objeto con una temperatura superior a unos 2  kelvin . Si bien esta emisión térmica es muy débil, las observaciones a estas frecuencias son importantes para caracterizar el polvo cósmico frío de 10 a 20  K en las nubes interestelares de la Vía Láctea y en galaxias distantes con brotes de formación estelar . [ cita requerida ]

Los telescopios que operan en esta banda incluyen el James Clerk Maxwell Telescope , el Caltech Submillimeter Observatory y el Submillimeter Array en el Mauna Kea Observatory en Hawaii, el telescopio transportado en globo BLAST , el Herschel Space Observatory , el Heinrich Hertz Submillimeter Telescope en el Mount Graham International Observatory en Arizona, y el recientemente construido Atacama Large Millimeter Array . Debido al espectro de absorción atmosférica de la Tierra, la opacidad de la atmósfera a la radiación submilimétrica restringe estos observatorios a sitios de gran altitud, o al espacio. [13] [14]

Artificial

A partir de 2012 [actualizar], las fuentes viables de radiación de terahercios son el girotrón , el oscilador de onda regresiva ("BWO"), el láser infrarrojo lejano de gas orgánico , los multiplicadores de diodos Schottky , [15] los multiplicadores de varactores ( varicap ), el láser de cascada cuántica , [16] [17] [18] [19] el láser de electrones libres , las fuentes de luz de sincrotrón , las fuentes de fotomezcla , las fuentes de ciclo único o pulsadas utilizadas en la espectroscopia de dominio temporal de terahercios, como los emisores fotoconductores, de campo superficial, foto-Dember y de rectificación óptica , [20] y se ha demostrado que los osciladores electrónicos basados ​​en diodos de tunelaje resonante funcionan hasta 1,98 THz. [21]

También existen desde hace muchos años fuentes de ondas milimétricas y submilimétricas en estado sólido. Por ejemplo, AB Millimeter, en París, produce un sistema que cubre todo el rango de 8 GHz a 1000 GHz con fuentes y detectores de estado sólido. Hoy en día, la mayor parte del trabajo en el dominio del tiempo se realiza mediante láseres ultrarrápidos.

A mediados de 2007, los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de los EE. UU ., junto con colaboradores en Turquía y Japón, anunciaron la creación de un dispositivo compacto que podría conducir a fuentes de radiación de terahercios portátiles que funcionen con baterías. [22] El dispositivo utiliza cristales superconductores de alta temperatura, cultivados en la Universidad de Tsukuba en Japón. Estos cristales comprenden pilas de uniones Josephson , que exhiben una propiedad conocida como el efecto Josephson : cuando se aplica voltaje externo, fluye corriente alterna a través de las uniones a una frecuencia proporcional al voltaje. Esta corriente alterna induce un campo electromagnético . Un voltaje pequeño (alrededor de dos milivoltios por unión) puede inducir frecuencias en el rango de los terahercios.

En 2008, ingenieros de la Universidad de Harvard lograron una emisión a temperatura ambiente de varios cientos de nanovatios de radiación coherente de terahercios utilizando una fuente semiconductora. La radiación de terahercios se generó mediante la mezcla no lineal de dos modos en un láser de cascada cuántica de infrarrojo medio. Las fuentes anteriores habían requerido refrigeración criogénica, lo que limitaba en gran medida su uso en aplicaciones cotidianas. [23]

En 2009, se descubrió que el acto de despegar la cinta adhesiva genera radiación de terahercios no polarizada, con un pico estrecho a 2 THz y un pico más amplio a 18 THz. El mecanismo de su creación es la carga triboeléctrica de la cinta adhesiva y la descarga posterior; se planteó la hipótesis de que esto implicaba una radiación de frenado con absorción o concentración de densidad de energía durante la ruptura dieléctrica de un gas. [24]

En 2013, investigadores del Laboratorio de Redes Inalámbricas de Banda Ancha del Instituto Tecnológico de Georgia y de la Universidad Politécnica de Cataluña desarrollaron un método para crear una antena de grafeno : una antena que tendría forma de tiras de grafeno de entre 10 y 100 nanómetros de ancho y un micrómetro de largo. Una antena de este tipo podría utilizarse para emitir ondas de radio en el rango de frecuencia de los terahercios. [25] [26]

Brecha de terahercios

En ingeniería, la brecha de terahercios es una banda de frecuencia en la región de los THz para la que no existen tecnologías prácticas para generar y detectar la radiación. Se define como de 0,1 a 10 THz ( longitudes de onda de 3 mm a 30 μm), aunque el límite superior es algo arbitrario y algunas fuentes lo consideran de 30 THz (una longitud de onda de 10 μm). [27] Actualmente, a frecuencias dentro de este rango, las tecnologías útiles de generación de energía y recepción son ineficientes e inviables.

La producción en masa de dispositivos en este rango y su funcionamiento a temperatura ambiente (en la que la energía kT es igual a la energía de un fotón con una frecuencia de 6,2 THz) son en su mayoría poco prácticos. Esto deja una brecha entre las tecnologías de microondas maduras en las frecuencias más altas del espectro radioeléctrico y la ingeniería óptica bien desarrollada de detectores infrarrojos en sus frecuencias más bajas. Esta radiación se utiliza principalmente en aplicaciones especializadas de pequeña escala, como la astronomía submilimétrica . Desde finales del siglo XX se han llevado a cabo investigaciones que intentan resolver este problema. [28] [29] [30] [31] [32]

En 2024, investigadores alemanes publicaron un experimento en el que se realizó un experimento TDLAS a 4,75 THz en "calidad infrarroja" con un receptor piroeléctrico no refrigerado mientras que la fuente de THz fue un láser DFB-QC de onda corta operado a 43,3 K y corrientes láser entre 480 mA y 600 mA.

Cierre de la brecha de los terahercios

La mayoría de los dispositivos electrónicos de vacío que se utilizan para la generación de microondas se pueden modificar para funcionar a frecuencias de terahercios, incluidos el magnetrón, [33] el girotrón, [34] el sincrotrón, [35] y el láser de electrones libres. [36] De manera similar, los detectores de microondas, como el diodo túnel, se han rediseñado para detectar también frecuencias de terahercios [37] e infrarrojos [38] . Sin embargo, muchos de estos dispositivos están en forma de prototipo, no son compactos o existen en laboratorios de investigación universitarios o gubernamentales, sin el beneficio de ahorro de costos debido a la producción en masa.

Investigación

Imágenes médicas

A diferencia de los rayos X , la radiación de terahercios no es radiación ionizante y sus bajas energías de fotones en general no dañan los tejidos vivos ni el ADN . Algunas frecuencias de radiación de terahercios pueden penetrar varios milímetros de tejido con bajo contenido de agua (por ejemplo, tejido graso) y reflejarse de regreso. La radiación de terahercios también puede detectar diferencias en el contenido de agua y la densidad de un tejido. Dichos métodos podrían permitir la detección eficaz del cáncer epitelial con un sistema de imágenes que sea seguro, no invasivo e indoloro. [39] En respuesta a la demanda de detección de COVID-19, se ha propuesto la espectroscopia y la obtención de imágenes de terahercios como una herramienta de detección rápida. [40] [41]

Las primeras imágenes generadas utilizando radiación de terahercios datan de la década de 1960; sin embargo, en 1995 las imágenes generadas utilizando espectroscopia de dominio temporal de terahercios generaron un gran interés. [ cita requerida ]

Algunas frecuencias de radiación de terahercios se pueden utilizar para obtener imágenes tridimensionales de los dientes y pueden ser más precisas que las imágenes de rayos X convencionales en odontología . [ cita requerida ]

Seguridad

La radiación de terahercios puede penetrar tejidos y plásticos, por lo que se puede utilizar en vigilancia , como en controles de seguridad , para descubrir armas ocultas en una persona, de forma remota. Esto es de particular interés porque muchos materiales de interés tienen "huellas dactilares" espectrales únicas en el rango de terahercios. Esto ofrece la posibilidad de combinar la identificación espectral con la obtención de imágenes. En 2002, el equipo Star Tiger de la Agencia Espacial Europea (ESA), [42] con sede en el Laboratorio Rutherford Appleton (Oxfordshire, Reino Unido), produjo la primera imagen pasiva de terahercios de una mano. [43] En 2004, ThruVision Ltd, una filial del Laboratorio Rutherford Appleton del Consejo para el Laboratorio Central de los Consejos de Investigación (CCLRC), había demostrado la primera cámara THz compacta del mundo para aplicaciones de control de seguridad. El sistema prototipo obtuvo imágenes con éxito de armas y explosivos ocultos bajo la ropa. [44] La detección pasiva de firmas de terahercios evita las preocupaciones sobre la privacidad corporal de otras detecciones al estar dirigida a un rango muy específico de materiales y objetos. [45] [46]

En enero de 2013, el Departamento de Policía de Nueva York anunció planes para experimentar con la nueva tecnología para detectar armas ocultas , [47] lo que llevó al bloguero y activista de la privacidad de Miami Jonathan Corbett a presentar una demanda contra el departamento en un tribunal federal de Manhattan ese mismo mes, desafiando dicho uso: "Durante miles de años, los humanos han usado ropa para proteger su modestia y han mantenido razonablemente la expectativa de privacidad para cualquier cosa dentro de su ropa, ya que ningún humano puede ver a través de ellos". Solicitó una orden judicial para prohibir el uso de la tecnología sin sospecha razonable o causa probable. [48] A principios de 2017, el departamento dijo que no tenía intención de utilizar nunca los sensores que les había dado el gobierno federal. [49]

Uso científico y de imágenes

Además de su uso actual en la astronomía submilimétrica , la espectroscopia de radiación de terahercios podría proporcionar nuevas fuentes de información para la química y la bioquímica . [ cita requerida ]

Se ha demostrado que los métodos de espectroscopia de dominio temporal de THz (THz TDS) y tomografía de THz desarrollados recientemente pueden generar imágenes de muestras que son opacas en las regiones visible e infrarroja cercana del espectro. La utilidad de la THz-TDS es limitada cuando la muestra es muy delgada o tiene una absorbancia baja , ya que es muy difícil distinguir los cambios en el pulso de THz causados ​​por la muestra de los causados ​​por fluctuaciones a largo plazo en la fuente láser o el experimento de accionamiento. Sin embargo, la THz-TDS produce una radiación que es coherente y espectralmente amplia, por lo que dichas imágenes pueden contener mucha más información que una imagen convencional formada con una fuente de frecuencia única. [ cita requerida ]

Las ondas submilimétricas se utilizan en física para estudiar materiales en campos magnéticos elevados, ya que en campos elevados (superiores a unos 11  tesla ), las frecuencias de Larmor del espín del electrón se encuentran en la banda submilimétrica. Muchos laboratorios de campos magnéticos elevados realizan estos experimentos de EPR de alta frecuencia , como el Laboratorio Nacional de Campos Magnéticos Elevados (NHMFL) en Florida. [ cita requerida ]

La radiación de terahercios podría permitir a los historiadores del arte ver murales ocultos bajo capas de yeso o pintura en edificios centenarios, sin dañar la obra de arte. [50]

Además, se han realizado imágenes THz con antenas de lente para capturar imágenes de radio del objeto. [51] [52]

Aceleradores de partículas

Los nuevos tipos de aceleradores de partículas que podrían lograr gradientes de aceleración de varios gigaelectronvoltios por metro (GeV/m) son de suma importancia para reducir el tamaño y el costo de las futuras generaciones de colisionadores de alta energía, así como para proporcionar una amplia disponibilidad de tecnología de aceleradores compactos para laboratorios más pequeños en todo el mundo. Se han logrado gradientes del orden de 100 MeV/m mediante técnicas convencionales y están limitados por la ruptura del plasma inducida por RF. [53] Los aceleradores de campo de estela dieléctricos impulsados ​​por haz (DWA) [54] [55] generalmente operan en el rango de frecuencia de terahercios, lo que empuja el umbral de ruptura del plasma para campos eléctricos de superficie al rango de varios GV/m. [56] La técnica DWA permite acomodar una cantidad significativa de carga por haz y brinda acceso a técnicas de fabricación convencionales para las estructuras de aceleración. Hasta la fecha se han logrado gradientes de aceleración de 0,3 GeV/m y de desaceleración de 1,3 GeV/m [57] utilizando una guía de ondas revestida de dieléctrico con una apertura transversal submilimétrica.

Un gradiente de aceleración mayor de 1 GeV/m puede ser producido potencialmente por el mecanismo radiativo Cherenkov Smith-Purcell [58] [59] en un capilar dieléctrico con un radio interno variable. Cuando un haz de electrones se propaga a través del capilar, su propio campo interactúa con el material dieléctrico y produce campos de estela que se propagan dentro del material en el ángulo de Cherenkov. Los campos de estela se desaceleran por debajo de la velocidad de la luz, ya que la permitividad dieléctrica relativa del material es mayor que 1. La radiación se refleja entonces desde el límite metálico del capilar y se difracta de nuevo en la región de vacío, produciendo campos de alta aceleración en el eje del capilar con una firma de frecuencia distintiva. En presencia de un límite periódico, la radiación Smith-Purcell impone dispersión de frecuencia. [ cita requerida ]

Un estudio preliminar con capilares corrugados ha mostrado alguna modificación en el contenido espectral y la amplitud de los campos de estela generados, [60] pero la posibilidad de utilizar el efecto Smith-Purcell en DWA aún está bajo consideración. [ cita requerida ]

Comunicación

La alta absorción atmosférica de las ondas de terahercios limita el alcance de las comunicaciones mediante los transmisores y antenas existentes a decenas de metros. Sin embargo, el enorme ancho de banda no asignado disponible en la banda (diez veces el ancho de banda de la banda de ondas milimétricas , 100 veces el de la banda de microondas SHF ) la hace muy atractiva para la transmisión de datos y el uso en redes en el futuro. Existen enormes dificultades para ampliar el alcance de las comunicaciones de THz a través de la atmósfera, pero la industria mundial de las telecomunicaciones está financiando mucha investigación para superar esas limitaciones. [61] Un área de aplicación prometedora es el estándar de telefonía móvil e inalámbrico 6G , que reemplazará al estándar 5G actual alrededor de 2030. [61]

Para una apertura de antena dada, la ganancia de las antenas directivas aumenta con el cuadrado de la frecuencia, mientras que para transmisores de baja potencia la eficiencia energética es independiente del ancho de banda. Por lo tanto, la teoría del factor de consumo de los enlaces de comunicación indica que, contrariamente a la sabiduría convencional de la ingeniería, para una apertura fija es más eficiente en bits por segundo por vatio utilizar frecuencias más altas en el rango de las ondas milimétricas y los terahercios. [61] Las antenas directivas pequeñas de unos pocos centímetros de diámetro pueden producir haces muy estrechos de radiación THz en forma de "lápiz", y los conjuntos en fase de múltiples antenas podrían concentrar prácticamente toda la potencia de salida en la antena receptora, lo que permitiría la comunicación a distancias más largas.

En mayo de 2012, un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio [62] publicó en Electronics Letters que había establecido un nuevo récord para la transmisión inalámbrica de datos mediante el uso de rayos T y propuso que se utilizaran como ancho de banda para la transmisión de datos en el futuro. [63] El dispositivo de prueba de concepto del equipo utilizó un oscilador de resistencia negativa de diodo de túnel resonante (RTD) para producir ondas en la banda de terahercios. Con este RTD, los investigadores enviaron una señal a 542 GHz, lo que resultó en una tasa de transferencia de datos de 3 Gigabits por segundo. [63] Duplicó el récord de velocidad de transmisión de datos establecido el noviembre anterior. [64] El estudio sugirió que el Wi-Fi que utiliza el sistema estaría limitado a aproximadamente 10 metros (33 pies), pero podría permitir la transmisión de datos a hasta 100 Gbit/s. [63] [ aclaración necesaria ] En 2011, el fabricante japonés de componentes electrónicos Rohm y un equipo de investigación de la Universidad de Osaka produjeron un chip capaz de transmitir 1,5 Gbit /s utilizando radiación de terahercios. [65]

Existen usos potenciales en telecomunicaciones a gran altitud, por encima de altitudes donde el vapor de agua provoca la absorción de señales: de avión a satélite o de satélite a satélite. [ cita requerida ]

Radioaficionado

Varias administraciones permiten la experimentación de radioaficionados dentro del rango de 275-3.000 GHz o incluso en frecuencias más altas a nivel nacional, bajo condiciones de licencia que generalmente se basan en RR5.565 del Reglamento de Radiocomunicaciones de la UIT . Los operadores de radioaficionados que utilizan frecuencias submilimétricas a menudo intentan establecer récords de distancia de comunicación bidireccional. En los Estados Unidos , WA1ZMS y W4WWQ establecieron un récord de 1,42 kilómetros (0,88 mi) en 403 GHz utilizando CW (código Morse) el 21 de diciembre de 2004. En Australia , a 30 THz, las estaciones VK3CV y VK3LN lograron una distancia de 60 metros (200 pies) el 8 de noviembre de 2020. [66] [67] [68]

Fabricación

Se han propuesto muchos usos posibles de la detección y la obtención de imágenes de terahercios en la fabricación , el control de calidad y la supervisión de procesos . En general, estos aprovechan las características de los plásticos y el cartón de ser transparentes a la radiación de terahercios, lo que permite inspeccionar los productos envasados . El primer sistema de obtención de imágenes basado en la espectroscopia optoelectrónica de dominio temporal de terahercios fue desarrollado en 1995 por investigadores de AT&T Bell Laboratories y se utilizó para producir una imagen de transmisión de un chip electrónico envasado. [69] Este sistema utilizaba rayos láser pulsados ​​con una duración en el rango de picosegundos. Desde entonces, los sistemas de obtención de imágenes de terahercios comerciales/de investigación de uso común han utilizado láseres pulsados ​​para generar imágenes de terahercios. La imagen se puede desarrollar en función de la atenuación o el retraso de fase del pulso de terahercios transmitido. [70]

Como el haz se dispersa más en los bordes y los distintos materiales tienen coeficientes de absorción diferentes, las imágenes basadas en la atenuación indican bordes y distintos materiales dentro de los objetos. Este enfoque es similar a la obtención de imágenes por transmisión de rayos X , en la que las imágenes se desarrollan en función de la atenuación del haz transmitido. [71]

En el segundo enfoque, las imágenes de terahercios se desarrollan en función del retraso temporal del pulso recibido. En este enfoque, las partes más gruesas de los objetos se reconocen bien, ya que las partes más gruesas causan un mayor retraso temporal del pulso. La energía de los puntos láser se distribuye mediante una función gaussiana . La geometría y el comportamiento del haz gaussiano en la región de Fraunhofer implican que los haces electromagnéticos divergen más a medida que disminuyen las frecuencias de los haces y, por lo tanto, disminuye la resolución. [72] Esto implica que los sistemas de imágenes de terahercios tienen una resolución más alta que el microscopio acústico de barrido (SAM) pero una resolución más baja que los sistemas de imágenes de rayos X. Aunque los terahercios se pueden utilizar para la inspección de objetos empaquetados, sufren de baja resolución para inspecciones finas. La imagen de rayos X y las imágenes de terahercios de un chip electrónico se muestran en la figura de la derecha. [73] Obviamente, la resolución de los rayos X es más alta que la imagen de terahercios, pero los rayos X son ionizantes y pueden imponer efectos nocivos en ciertos objetos como semiconductores y tejidos vivos. [ cita requerida ]

Para superar la baja resolución de los sistemas de terahercios, se están desarrollando sistemas de imágenes de terahercios de campo cercano. [74] [75] En las imágenes de campo cercano, el detector debe ubicarse muy cerca de la superficie del plano y, por lo tanto, la obtención de imágenes de objetos encapsulados gruesos puede no ser factible. En otro intento por aumentar la resolución, se utilizan rayos láser con frecuencias superiores a los terahercios para excitar las uniones pn en objetos semiconductores; las uniones excitadas generan radiación de terahercios como resultado, siempre que sus contactos no estén rotos y, de esta manera, se pueden detectar dispositivos dañados. [76] En este enfoque, dado que la absorción aumenta exponencialmente con la frecuencia, nuevamente la inspección de semiconductores encapsulados gruesos puede no ser factible. En consecuencia, se debe considerar un equilibrio entre la resolución alcanzable y el espesor de la penetración del rayo en el material de encapsulado. [ cita requerida ]

Investigación de brecha de THz

Las investigaciones en curso han dado como resultado emisores (fuentes) y detectores mejorados , y la investigación en esta área se ha intensificado. Sin embargo, siguen existiendo inconvenientes que incluyen el tamaño sustancial de los emisores, rangos de frecuencia incompatibles y temperaturas de funcionamiento indeseables, así como requisitos de componentes, dispositivos y detectores que se encuentran en algún punto intermedio entre la electrónica de estado sólido y las tecnologías fotónicas . [77] [78] [79]

Los láseres de electrones libres pueden generar una amplia gama de emisiones estimuladas de radiación electromagnética , desde microondas hasta radiación de terahercios y rayos X. Sin embargo, son voluminosos, caros y no son adecuados para aplicaciones que requieren tiempos críticos (como las comunicaciones inalámbricas ). Otras fuentes de radiación de terahercios que se están investigando activamente incluyen osciladores de estado sólido (a través de multiplicación de frecuencia ), osciladores de onda regresiva (BWO), láseres de cascada cuántica y girotrones .

Seguridad

La región de los terahercios se encuentra entre la región de radiofrecuencia y la región óptica del láser. Tanto la norma de seguridad de RF IEEE C95.1–2005 [80] como la norma de seguridad de láser ANSI Z136.1–2007 [81] tienen límites en la región de los terahercios, pero ambos límites de seguridad se basan en la extrapolación. Se espera que los efectos sobre los tejidos biológicos sean de naturaleza térmica y, por lo tanto, predecibles mediante modelos térmicos convencionales [ cita requerida ] . Se están realizando investigaciones para recopilar datos para poblar esta región del espectro y validar los límites de seguridad. [ cita requerida ]

Un estudio teórico publicado en 2010 y realizado por Alexandrov et al en el Centro de Estudios No Lineales del Laboratorio Nacional de Los Álamos en Nuevo México [82] creó modelos matemáticos que predicen cómo la radiación de terahercios interactuaría con el ADN de doble cadena , mostrando que, aunque las fuerzas involucradas parecen ser minúsculas, las resonancias no lineales (aunque es mucho menos probable que se formen que las resonancias comunes menos potentes) podrían permitir que las ondas de terahercios "descompriman el ADN de doble cadena, creando burbujas en la doble cadena que podrían interferir significativamente con procesos como la expresión genética y la replicación del ADN ". [83] No se realizó la verificación experimental de esta simulación. El tratamiento teórico de Swanson de 2010 del estudio de Alexandrov concluye que las burbujas de ADN no ocurren bajo suposiciones físicas razonables o si se tienen en cuenta los efectos de la temperatura. [84] Un estudio bibliográfico publicado en 2003 informó que la intensidad de los rayos T cae a menos del 1% en los primeros 500 μm de piel , pero destacó que "actualmente hay muy poca información sobre las propiedades ópticas del tejido humano en frecuencias de terahercios". [85]

Véase también

Referencias

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  85. ^ Fitzgerald, AJ; Berry, E.; Zinov'Ev, NN; Homer-Vanniasinkam, S.; Miles, RE; Chamberlain, JM; Smith, MA (2003). "Catálogo de propiedades ópticas de tejidos humanos en frecuencias de terahercios". Journal of Biological Physics . 29 (2–3): 123–128. doi :10.1023/A:1024428406218. PMC 3456431 . PMID  23345827. 

Lectura adicional

  • Miles, Robert E; Harrison, Paul; Lippens, D., eds. (junio de 2000). Fuentes y sistemas de terahercios. Taller de investigación avanzada de la OTAN. Serie científica de la OTAN II. Vol. 27. Château de Bonas, Francia (publicado en 2001). ISBN 978-0-7923-7096-3. LCCN  2001038180. OCLC  248547276 – a través de Google Books.
  • Güven, Eray; Karabulut-Kurt, Güneş (2024). "Sobre la reciprocidad entre la localización y el modelado de canales en sub-THz". Comunicaciones inalámbricas IEEE . 31 (1): 26–32. arXiv : 2401.01504 . doi :10.1109/MWC.001.2300307.
  • Mueller, Eric (agosto-septiembre de 2003). «Radiación de terahercios: aplicaciones y fuentes». AIP: The Industrial Physicist . 9 (4): 27. Archivado desde el original el 4 de diciembre de 2003 . Consultado el 5 de junio de 2021 .
  • Williams, G. (2003). "Rellenando la brecha de THz" (PDF) . jlab.org . Seminario CASA.
  • Cooke, Mike (2007). "Filling the THz gap with new applications" (PDF) . Semiconductor Today . Vol. 2, no. 1. págs. 39–43 . Consultado el 30 de julio de 2019 .
  • Janet, Rae-Dupree (8 de noviembre de 2011). "Nueva vida para viejos electrones en imágenes biológicas, tecnologías de detección". SLAC National Accelerator Laboratory (Nota de prensa). Palo Alto, California: Stanford University. ... los investigadores han generado con éxito pulsos intensos de luz en una parte en gran parte sin explotar del espectro electromagnético: la llamada brecha de terahercios .
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