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T-Rays avanza hacia la detección del aeropuerto
Investigadores de todo el mundo están tratando de aprovechar una parte apenas utilizada del espectro electromagnético (radiación de terahercios) para escanear a los pasajeros de las aerolíneas en busca de explosivos y drogas ilegales. Los rayos son particularmente atractivos: pueden ver a través de la ropa, el papel, el cuero, el plástico, la madera y la cerámica. No penetran tan bien como los rayos X, pero tampoco dañan los tejidos vivos. Y pueden leer firmas espectroscópicas, detectando la diferencia entre, digamos, gel para el cabello y un explosivo.
Este diminuto rectángulo gris, más pequeño que la D en DIME, es un láser de cascada cuántica que podría ser la clave de las tecnologías de imágenes de terahercios para futuros dispositivos de inspección de aeropuertos. El láser está adherido a la electrónica que lo controla.
Si bien algunos sistemas comerciales ya están disponibles para aplicaciones limitadas (un dispositivo japonés escanea el correo en busca de drogas de contrabando), una máquina para escanear a los pasajeros de las aerolíneas ha evolucionado lentamente, principalmente debido a la dificultad de crear la radiación de terahercios. El escáner ideal enviaría un haz de rayos T a los objetos que pasan o a las personas a unos pocos metros de distancia, luego mediría los rayos reflejados en los sujetos y los compararía con una base de datos de firmas espectroscópicas. Pero la mayoría de las fuentes de rayos T existentes solo proporcionan haces débiles, lo que hace que la detección sea más lenta y difícil.
Ahora, un profesor del MIT puede estar a punto de resolver este problema con un nuevo tipo de láser.
Un método típico de producir rayos T, que se encuentran entre la luz infrarroja y las microondas en el espectro electromagnético; las frecuencias entre aproximadamente 0,5 y 4,0 terahercios son las más interesantes; es utilizar un láser que produzca luz infrarroja y, mediante manipulación óptica, volver a sintonizarlo a frecuencias de terahercios. La salida resultante se mide en millonésimas, o incluso billonésimas, de vatios. Para que el detector capte ese tipo de señal muy débil, el rayo tendría que escanearse lentamente sobre un objeto desde una distancia cercana, creando una imagen de un píxel a la vez. La fuente alternativa es un enorme láser de gas que ocupa toda una mesa de laboratorio. Tampoco es práctico para procesar rápidamente a miles de viajeros aéreos.
Pero Qing Hu, profesor del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT, ha diseñado láseres del tamaño de una cabeza de alfiler que pueden producir 250 milivatios a 4,3 terahercios y algo menos de 100 milivatios a 1,5 terahercios. Esa potencia es suficiente para enviar un rayo a una distancia de varios metros, rebotar en un objeto y usar la señal de retorno para crear una imagen instantánea. En lugar de obtener imágenes de un píxel a la vez, los rayos T podrían ser captados por una matriz de plano focal, como el detector en una cámara de video. Esto permitiría al personal de seguridad ver debajo de los abrigos y dentro de las maletas mientras la gente pasa caminando. Podemos hacer una película en rayos T, dice Hu, lo que significa que su tecnología puede proporcionar imágenes en tiempo real.
La clave de la tecnología de Hu es un láser de cascada cuántica, un diminuto semiconductor con hendiduras a escala nanométrica llamadas pozos cuánticos grabados en él. En los láseres estándar, un electrón en un estado de alta energía cae a un estado de baja energía, liberando el exceso de energía en forma de fotón de luz. En los láseres de cascada cuántica, el electrón cae en un pozo cuántico, emite un fotón y luego se mueve a través de una delgada barrera al siguiente pozo, donde emite otro fotón, y así sucesivamente, como una pelota de ping-pong que baja las escaleras, Hu dice. El resultado son muchos más fotones y, por lo tanto, rayos T más potentes.
Los láseres de Hu son un componente clave de un dispositivo de seguridad de terahercios que Laboratorio Nacional Sandia se está desarrollando, dice el investigador principal de Sandia, Mike Wanke. El proyecto de tres años en el laboratorio, ahora en su segundo año, tiene como objetivo integrar una fuente láser y un detector en el mismo dispositivo. Eso elimina configuraciones ópticas complejas y mejora la sensibilidad del detector en órdenes de magnitud, dice Wanke. Él prevé un módulo que se puede utilizar para fabricar sistemas de rayos t compactos y comercialmente viables para su uso en aeropuertos. Estamos tratando de hacer que esto sea un sistema llave en mano, que se coloca en el lugar, dice. Agrega que una vez que Sandia tiene un prototipo exitoso, las empresas pueden enfrentar el desafío del desarrollo de productos.
Los láseres necesitan alcanzar frecuencias más bajas para hacer un mejor trabajo de penetración del material; cuanto más bajas, mejor, dice Hu. Pero las frecuencias más bajas significan pozos cuánticos más pequeños, que son más difíciles de construir con precisión. Hu no predecirá cuándo estarán disponibles los sistemas comerciales.
Pero Xi-Cheng Zhang, director del Instituto Politécnico Rensselaer Centro de Investigación de Terahercios dice que Hu siempre rompe el récord que se establece a sí mismo. Zhang dice que es probable que las mejoras en la ingeniería o el uso de diferentes materiales semiconductores produzcan láseres de cascada cuántica aún mejores. Espera que la mayoría de los problemas se resuelvan en uno o dos años. Uno de esos problemas es que los láseres funcionan a temperaturas criogénicas y requieren un equipo de enfriamiento voluminoso; Hu tiene el récord de temperatura de funcionamiento más alta. Una vez resueltos estos problemas, las fuerzas del mercado, más que los problemas técnicos, determinarán cuánto tiempo tarda un escáner comercial en aparecer en un aeropuerto, dice Zhang.
Hu dice que la tecnología es de particular interés para las fuerzas armadas, además de las aplicaciones comerciales de transporte aéreo. DARPA [la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa] está muy interesada en esto para identificar a los terroristas suicidas, dice. Los rayos T no son la única forma de hacer esto; otros sistemas que llegan al mercado utilizan software de procesamiento de visión y radar. (Consulte Caminar como un bombardero).
Zhang fundó una empresa, Zomega Terahercios que fabrica un detector de rayos T del tamaño de una computadora portátil que se puede conectar a un dron volador para la detección remota de sustancias químicas y biológicas. Si bien la billonésima de vatio producida por el láser infrarrojo en el dispositivo está bien para el análisis espectroscópico de muestras de aire, no es adecuada para la obtención de imágenes y es poco probable que la tecnología láser mejore lo suficiente como para ser utilizada en la seguridad de los aeropuertos, dice Zhang. Él cree que los láseres de cascada cuántica son el futuro de los sistemas de detección de rayos T: serán el ganador final en el mercado.