Radiação Terahertz

Faixa de terahertz
Frequência 0,1 a 10 THz
Comprimento de onda 3 mm a 30 μm
As ondas terahertz ocupam sobretudo a região do infravermelho distante. As de maior comprimento de onda alcançam a faixa das micro-ondas.

Radiação terahertz, também chamada de ondas terahertz, raios T, ondas T, luz T ou lux T, é a radiação eletromagnética na faixa de frequências de 0,1 a 10 terahertz, cujo símbolo é THz. A expressão inglesa tremendously high frequency, ou "frequência tremendamente alta", abreviada como THF, também é usada para uma faixa nessa região do espectro. Um terahertz equivale a 1012 Hz ou 1.000 GHz.

Os comprimentos de onda vão de 3 milímetros a 30 micrômetros, ou de 3.000 a 30 μm. Parte desse intervalo recebe o nome de faixa submilimétrica, e sua radiação é chamada de ondas submilimétricas, sobretudo na astronomia submilimétrica. Essa região fica na transição entre as micro-ondas e o infravermelho distante, com uma sobreposição entre as faixas.

A radiação terahertz sofre forte absorção pelos gases da atmosfera terrestre em comparação com as ondas de rádio de menor frequência. Em muitas frequências, grande parte de sua energia é atenuada após poucos metros no ar, o que dificulta seu uso na radiocomunicação terrestre a longas distâncias. Ela pode atravessar camadas finas de materiais, mas encontra maior dificuldade em atravessar objetos espessos. Os feixes transmitidos através de materiais permitem caracterizar sua composição e suas propriedades, inspecionar camadas e medir relevos. Também podem produzir imagens do interior de objetos sólidos com fótons de menor energia que os dos raios X.

A dificuldade de gerar e manipular essa radiação deu origem à expressão "lacuna de terahertz". Os dispositivos eletrônicos convencionais usados para gerar ondas de rádio e micro-ondas perdem eficiência nessas frequências, enquanto as técnicas ópticas encontram dificuldades na extremidade de menor frequência do infravermelho. A geração e a modulação de ondas nessa região exigem dispositivos e técnicas próprios.

Características

Nos sistemas de espectroscopia de terahertz no domínio do tempo, a disponibilidade do sinal em função do tempo permite reduzir as distorções causadas pela difração.

A radiação terahertz fica entre o infravermelho e as micro-ondas no espectro eletromagnético e tem propriedades em comum com essas duas faixas. Propaga-se em linha de visada e é não ionizante. Assim como as micro-ondas, pode atravessar materiais não condutores, como roupas, papel, papelão, madeira, alvenaria, plástico e cerâmica. Sua profundidade de penetração costuma ser menor que a das micro-ondas. Assim como o infravermelho, atravessa nevoeiro e nuvens com dificuldade e é fortemente bloqueada pela água líquida e pelos metais. A capacidade de penetrar superficialmente nos tecidos do corpo, sem ionizá-los, desperta interesse em aplicações de diagnóstico por imagem. Como seu comprimento de onda é maior que o dos raios X, as imagens têm menor resolução e podem exigir processamento para melhorar a definição.

A absorção atmosférica limita o alcance das ondas terahertz no ar, embora esse alcance varie com a frequência, a umidade e os equipamentos. Em distâncias da ordem de 10 m, a faixa permite aplicações de formação de imagens e redes sem fio de grande largura de banda, sobretudo em ambientes internos. A geração e a detecção de radiação terahertz coerente ainda apresentam dificuldades técnicas. Entre as fontes disponíveis na porção inferior da faixa estão os girotrons, os osciladores de onda regressiva e os diodos de tunelamento ressonante. A baixa energia dos fótons torna o ruído térmico um obstáculo para certos detectores, que precisam de resfriamento. A busca por temperaturas de operação mais altas inclui dispositivos optomecânicos miniaturizados.

Fontes

Naturais

A radiação terahertz compõe a radiação de corpo negro emitida pelos corpos em razão de sua temperatura. Mesmo corpos muito frios emitem nessa região, embora a emissão seja fraca. As observações nessas frequências permitem estudar a poeira cósmica fria, com temperaturas de cerca de 10 a 20 K, nas nuvens interestelares da Via Láctea e em galáxias com intensa formação de estrelas distantes.

Entre os telescópios usados nessa faixa estão o Telescópio James Clerk Maxwell, o Observatório Submilimétrico do Caltech e o Submillimeter Array, nos Observatórios de Mauna Kea, no Havaí. Também foram usados o BLAST, transportado por balão, o Observatório Espacial Herschel, o Telescópio Submilimétrico Heinrich Hertz, no Observatório Internacional do Monte Graham, no Arizona, e o Atacama Large Millimeter Array. A absorção da radiação submilimétrica pela atmosfera exige a instalação desses instrumentos em locais de grande altitude ou no espaço.

Artificiais

Mecanismo de excitação de dipolos em dendrímeros, abreviado como DDE, também chamado de efeito Rahman-Tomalia.

Em 2012, as fontes de radiação terahertz disponíveis incluíam girotrons, osciladores de onda regressiva, lasers de gás molecular no infravermelho distante, multiplicadores com diodos Schottky ou varactores e lasers quânticos em cascata. Outras fontes eram os lasers de elétrons livres, os emissores de luz síncrotron, os sistemas de fotomistura e os emissores de ciclo único ou de pulsos usados na espectroscopia de terahertz no domínio do tempo. Esses últimos incluem emissores fotocondutivos, de campo superficial, por efeito foto-Dember e por retificação óptica. Em 2017, osciladores eletrônicos com diodos de tunelamento ressonante chegaram a 1,98 THz. A excitação de dipolos em dendrímeros, representada na imagem, permite produzir emissão de banda larga até cerca de 30 THz para espectroscopia e formação de imagens.

Também existem fontes de estado sólido para ondas milimétricas e submilimétricas. A empresa AB Millimetre, de Paris, produz sistemas com fontes e detectores de estado sólido que cobrem de 8 a 1.000 GHz. Grande parte do trabalho no domínio do tempo usa lasers ultrarrápidos.

Em 2007, cientistas do Laboratório Nacional de Argonne, do Departamento de Energia dos Estados Unidos, e colaboradores da Turquia e do Japão anunciaram um dispositivo compacto que poderia permitir fontes portáteis de radiação terahertz alimentadas por baterias. O dispositivo usa cristais supercondutores de alta temperatura produzidos na Universidade de Tsukuba, no Japão. Esses cristais contêm pilhas de junções Josephson. Pelo efeito Josephson, a aplicação de uma tensão externa produz uma corrente alternada nas junções, com frequência proporcional à tensão. Essa corrente induz um campo eletromagnético. Uma tensão de cerca de dois milivolts por junção pode produzir frequências na faixa de terahertz.

Em 2008, engenheiros da Universidade Harvard obtiveram, à temperatura ambiente, uma emissão de centenas de nanowatts de radiação terahertz coerente com uma fonte semicondutora. A radiação foi gerada pela mistura não linear de dois modos de um laser quântico em cascata no infravermelho médio. As fontes semicondutoras anteriores desse tipo exigiam resfriamento criogênico, o que restringia seu uso fora do laboratório.

Em 2009, verificou-se que desenrolar fita adesiva gera radiação terahertz não polarizada, com um pico estreito em 2 THz e outro mais largo em 18 THz. A emissão resulta da eletrização por atrito da fita e da descarga que se segue. As explicações propostas envolvem radiação de frenagem com absorção ou concentração de densidade de energia durante a ruptura dielétrica de um gás.

Em 2013, pesquisadores do Laboratório de Redes Sem Fio de Banda Larga do Instituto de Tecnologia da Geórgia e da Universidade Politécnica da Catalunha desenvolveram uma proposta de antena de grafeno. A antena teria tiras de grafeno com 10 a 100 nm de largura e 1 μm de comprimento, capazes de emitir ondas de rádio na faixa de terahertz.

Detecção

Os detectores térmicos medem o aquecimento provocado pela absorção da radiação. Nos bolômetros, esse aquecimento altera a resistência elétrica de um elemento sensível. Nas células de Golay, a expansão de um gás deforma uma membrana, cujo movimento é medido opticamente. Detectores piroelétricos aproveitam a mudança de polarização elétrica de certos materiais quando sua temperatura varia.

A detecção coerente permite recuperar informações sobre a amplitude e a fase do sinal. Nos receptores heteródinos, a radiação recebida é misturada com o sinal de um oscilador local. A mistura produz um sinal de frequência mais baixa, que pode ser amplificado e analisado por circuitos eletrônicos. Essa técnica é usada em observações astronômicas e em espectroscopia de alta resolução.

Lacuna de terahertz

A expressão lacuna de terahertz designa a faixa em que as tecnologias eletrônicas e ópticas convencionais encontram dificuldades para gerar, detectar e manipular radiação com eficiência. Seus limites costumam ser definidos entre 0,1 e 10 THz, correspondentes a comprimentos de onda de 3 mm a 30 μm, embora algumas definições estendam o limite superior até 30 THz, ou 10 μm.

Uma das abordagens desenvolvidas para gerar radiação nessa faixa é a excitação eletro-óptica de dipolos em dendrímeros. Filmes de dendrímeros submetidos a um laser de bombeamento emitem radiação terahertz contínua e foram usados na construção de espectrômetros. A Applied Research & Photonics comercializa instrumentos com essa tecnologia, entre eles o espectrômetro TeraSpectra e sistemas de formação de imagens tridimensionais.

A fabricação em escala e o funcionamento à temperatura ambiente impõem dificuldades a muitas dessas tecnologias. À temperatura ambiente, a energia térmica kT é aproximadamente igual à energia de um fóton de 6,2 THz. Há uma separação entre as tecnologias consolidadas de micro-ondas, na extremidade superior do espectro de rádio, e as técnicas de engenharia óptica para detectores no infravermelho. Por isso, o uso dessa radiação esteve concentrado em aplicações especializadas, como a astronomia submilimétrica. Desde o fim do século XX, pesquisas procuram ampliar seu uso.

Em 2024, pesquisadores alemães realizaram espectroscopia de absorção a 4,75 THz com um receptor piroelétrico sem resfriamento, obtendo qualidade espectral comparável à de medições no infravermelho. A fonte era um laser quântico em cascata de onda contínua e realimentação distribuída, operado a 43,3 K, com correntes entre 480 e 600 mA.

Superação da lacuna

Dispositivos eletrônicos a vácuo usados para gerar micro-ondas podem ser adaptados para operar em frequências terahertz. Entre eles estão o magnetron, o girotron, o síncrotron e o laser de elétrons livres. A excitação de dipolos em dendrímeros constitui outra forma de geração. Detectores de micro-ondas, como o diodo túnel, também foram adaptados para detectar frequências terahertz e infravermelhas. Parte desses dispositivos existe apenas como protótipo, ocupa grandes instalações ou é usada em laboratórios universitários e governamentais, sem a redução de custos que a produção em escala poderia proporcionar.

Pesquisa

Biologia molecular

As frequências terahertz são comparáveis às de movimentos que ocorrem durante o funcionamento de sistemas biomoleculares. Uma frequência de 1 THz corresponde a um período de 1 picossegundo. Processos de relaxação biomolecular se estendem por escalas de picossegundos a nanossegundos, e parte deles pode ser investigada nessa região do espectro. Pesquisas examinam a possibilidade de modular funções biológicas e neurológicas com radiação de centenas de gigahertz a poucos terahertz, com energias relativamente baixas e sem ionização ou aquecimento intenso. Os efeitos podem ser benéficos ou prejudiciais, conforme as condições de exposição. Experimentos com estimulação no infravermelho médio também investigaram o controle não térmico e reversível da sinalização neuronal e do comportamento.

Diagnóstico por imagem

A radiação terahertz é não ionizante, e seus fótons têm energia insuficiente para causar os danos por ionização produzidos pelos raios X nos tecidos e no DNA. Isso não exclui outros efeitos biológicos da exposição. Algumas frequências podem penetrar milímetros em tecidos com pouca água, como o tecido adiposo, e retornar por reflexão. A radiação também permite detectar diferenças no teor de água e na densidade dos tecidos. Essas propriedades são investigadas para a detecção de câncer do epitélio por métodos de imagem não invasivos e indolores. Durante a pandemia de COVID-19, sensores e técnicas de espectroscopia terahertz foram investigados para detectar o SARS-CoV-2 e suas proteínas, ainda em estágio experimental.

As primeiras observações astronômicas nessa faixa datam da década de 1960. Em 1995, a obtenção de imagens por espectroscopia de terahertz no domínio do tempo ampliou o interesse pela técnica.

A radiação terahertz também foi usada para produzir imagens tridimensionais de dentes e medir a espessura do esmalte, com possíveis aplicações na odontologia. Sua capacidade de medir a profundidade da desmineralização do esmalte foi comparada à da microrradiografia por transmissão em experimentos in vitro.

Segurança e vigilância

A capacidade de atravessar tecidos e plásticos permite usar a radiação terahertz na vigilância e na inspeção de segurança, por exemplo, para detectar à distância armas ocultas sob a roupa. Muitos materiais têm assinaturas espectrais próprias nessa faixa, o que permite combinar a identificação da substância com sua imagem. Em 2002, a equipe Star Tiger da Agência Espacial Europeia, sediada no Laboratório Rutherford Appleton, em Oxfordshire, no Reino Unido, produziu a primeira imagem terahertz passiva de uma mão. Em 2004, a ThruVision Ltd, empresa criada a partir do Laboratório Rutherford Appleton do Council for the Central Laboratory of the Research Councils, apresentou uma câmera terahertz compacta para inspeções de segurança. O protótipo produziu imagens de armas e explosivos escondidos sob roupas. A detecção passiva pode se concentrar nas assinaturas de certos materiais e objetos, sem formar imagens detalhadas do corpo, o que reduz as preocupações com a privacidade nesse tipo de inspeção.

A identificação de explosivos por suas assinaturas espectrais encontra dificuldades fora das condições controladas do laboratório. O vapor de água, as camadas de roupa e o espalhamento pela superfície do objeto podem enfraquecer ou encobrir as bandas de absorção. Nem todo explosivo apresenta bandas suficientemente distintas, e materiais inofensivos também podem produzir sinais semelhantes. Essas limitações dificultam a identificação química à distância, mesmo quando uma imagem permite perceber a presença de um objeto escondido.

Em janeiro de 2013, o Departamento de Polícia de Nova York anunciou planos para testar a tecnologia na detecção de armas ocultas. No mesmo mês, Jonathan Corbett, blogueiro de Miami e ativista pela privacidade, entrou com uma ação contra o departamento em um tribunal federal de Manhattan. Ele argumentou que as roupas protegem a intimidade há milhares de anos e que as pessoas têm uma expectativa razoável de privacidade sobre o que cobrem, já que a visão humana não as atravessa. Pediu uma ordem judicial que proibisse o uso da tecnologia sem suspeita razoável ou causa provável. No início de 2017, o departamento afirmou que não pretendia usar os sensores recebidos do governo federal.

Uso científico e formação de imagens

Além da astronomia submilimétrica, a espectroscopia terahertz permite investigar propriedades de materiais e moléculas de interesse para a química e a bioquímica.

A espectroscopia de terahertz no domínio do tempo, abreviada como THz-TDS, e a tomografia terahertz permitem obter imagens de amostras opacas à luz visível e ao infravermelho próximo. O uso de THz-TDS encontra limitações quando a amostra é muito fina ou tem baixa absorbância, pois pode ser difícil distinguir as alterações que ela provoca no pulso daquelas causadas por flutuações de longo prazo no laser ou no experimento. Como a técnica produz radiação coerente com grande largura espectral, suas imagens podem conter mais informações que as obtidas com uma fonte de frequência única.

Na física da matéria condensada, a THz-TDS permite determinar o índice de refração complexo, a permissividade complexa e a condutividade elétrica dos materiais. A técnica mede o campo elétrico do pulso em função do tempo. Sua transformada de Fourier fornece a amplitude e a fase em cada frequência. A comparação entre os sinais medidos com e sem a amostra permite calcular suas propriedades ópticas, sem exigir contatos elétricos para medir a condutividade. No Instituto de Física da Universidade de São Paulo, um sistema com antenas fotocondutivas foi empregado no estudo de filmes finos de telureto de chumbo.

Na física, as ondas submilimétricas são usadas para estudar materiais submetidos a campos magnéticos intensos. Em campos acima de aproximadamente 11 teslas, as frequências de Larmor do spin do elétron alcançam a faixa submilimétrica. Laboratórios de campos magnéticos intensos, como o National High Magnetic Field Laboratory, na Flórida, realizam experimentos de ressonância paramagnética eletrônica nessas frequências.

A radiação terahertz também permite investigar pinturas murais escondidas sob camadas de reboco ou tinta em edifícios antigos, sem danificar a obra.

Antenas com lentes também foram usadas para formar imagens de objetos nessa faixa.

Aceleradores de partículas

Novos tipos de aceleradores de partículas, propostos para alcançar gradientes de aceleração de alguns gigaelétron-volts por metro, podem reduzir o tamanho e o custo de futuros colisores de alta energia e tornar aceleradores compactos acessíveis a laboratórios menores. As técnicas convencionais alcançaram gradientes da ordem de 100 MeV/m, limitados pela ruptura elétrica induzida por radiofrequência. Os aceleradores dielétricos de campo de esteira, abreviados como DWA, usam campos gerados pela passagem de feixes de partículas e costumam operar na faixa de terahertz. Nessas condições, o limiar de ruptura para campos elétricos na superfície pode chegar à ordem de alguns GV/m. A operação em frequências terahertz permite acomodar pacotes com mais carga do que na aceleração direta por laser e fabricar as estruturas aceleradoras por métodos convencionais. Em 2016, foram obtidos gradientes de aceleração de 0,3 GeV/m e de desaceleração de 1,3 GeV/m em uma guia de ondas revestida por material dielétrico, com abertura transversal submilimétrica.

Gradientes de aceleração superiores a 1 GeV/m também foram propostos com mecanismos de emissão Cherenkov e Smith-Purcell em capilares dielétricos cujo raio interno varia ao longo do comprimento. Quando um pacote de elétrons atravessa o capilar, seu próprio campo interage com o dielétrico e gera campos de esteira que se propagam no material no ângulo de Cherenkov. Como a permissividade relativa do material é maior que 1, a velocidade de propagação é inferior à velocidade da luz no vácuo. A radiação é refletida pela superfície metálica externa e difratada de volta à região de vácuo, produzindo campos aceleradores intensos no eixo do capilar, com frequências determinadas pela estrutura. Uma superfície periódica introduz dispersão de frequência pelo mecanismo de Smith-Purcell.

Experimentos preliminares com capilares corrugados encontraram alterações no espectro e na amplitude dos campos de esteira. A possibilidade de usar o efeito Smith-Purcell em aceleradores desse tipo ainda estava em investigação no trabalho publicado em 2018.

Comunicação

A absorção atmosférica impõe limitações à comunicação por ondas terahertz, e muitos sistemas experimentais têm alcance de dezenas de metros. A faixa oferece grande largura de banda, da ordem de dez vezes a da faixa de ondas milimétricas e de cem vezes a da faixa de micro-ondas SHF. Essa disponibilidade estimula pesquisas sobre transmissão de dados e redes, embora ampliar o alcance através da atmosfera ainda apresente dificuldades. Uma das aplicações previstas é a telefonia móvel e a comunicação sem fio 6G, cujo desenvolvimento busca suceder o 5G por volta de 2030. As propostas para o 6G combinam comunicação terahertz, transmissão full duplex e compartilhamento dinâmico do espectro para aumentar as taxas de transmissão e usar as frequências disponíveis com maior eficiência.

Para uma abertura de antena fixa, o ganho de uma antena direcional cresce com o quadrado da frequência. Em transmissores de baixa potência, a eficiência energética pode ser independente da largura de banda. A teoria do fator de consumo permite, nessas condições, obter mais bits por segundo por watt em frequências mais altas, nas faixas de ondas milimétricas e terahertz. Antenas direcionais com poucos centímetros de diâmetro podem produzir feixes muito estreitos. Conjuntos de antenas com controle de fase podem concentrar a potência na direção da antena receptora e permitir comunicação a distâncias maiores.

Em maio de 2012, pesquisadores do Instituto Tecnológico de Tóquio publicaram na revista Electronics Letters um experimento de transmissão de dados sem fio com radiação terahertz. A equipe estabeleceu um recorde de velocidade para esse tipo de transmissão e propôs seu uso em futuras redes. O dispositivo usado na prova de conceito tinha um oscilador de resistência negativa com diodo de tunelamento ressonante, abreviado como RTD. Ele gerou um sinal de 542 GHz que permitiu transmitir dados a 3 Gbit/s. A taxa foi o dobro do recorde anunciado em novembro de 2011. A possibilidade de chegar a 100 Gbit/s em distâncias de cerca de 10 m era uma previsão para o desenvolvimento da tecnologia. O resultado medido naquele experimento foi de 3 Gbit/s. Em 2011, a fabricante japonesa de componentes eletrônicos Rohm e uma equipe da Universidade de Osaka haviam produzido um chip capaz de transmitir a 1,5 Gbit/s com radiação terahertz. Em 2017, pesquisadores da Universidade Brown transmitiram dois vídeos com um multiplexador terahertz a 50 Gbit/s, acima das velocidades das redes celulares daquele período.

Também são investigadas comunicações em grandes altitudes, onde a menor concentração de vapor de água reduz a absorção, como transmissões entre aeronaves e satélites ou entre satélites.

Radioamadorismo

Autoridades nacionais permitem experimentos de radioamadorismo na faixa de 275 a 3.000 GHz, ou em frequências ainda maiores, sob condições de licenciamento que precisam respeitar os serviços passivos previstos no Regulamento de Radiocomunicações da União Internacional de Telecomunicações, inclusive a disposição 5.565. Radioamadores que usam frequências submilimétricas procuram estabelecer recordes de distância em comunicações bidirecionais. Nos Estados Unidos, as estações WA1ZMS e W4WWQ realizaram um contato de 1,42 km em 403 GHz, por código Morse, em 21 de dezembro de 2004. Na Austrália, as estações VK3CV e VK3LN alcançaram 60 m em 30 THz em 8 de novembro de 2020.

Manufatura

O sensoriamento e a formação de imagens terahertz têm aplicações propostas na manufatura, no controle de qualidade e no monitoramento de processos. A transparência de plásticos e papelão a essa radiação permite inspecionar produtos dentro de embalagens. Em 1995, pesquisadores dos Laboratórios Bell da AT&T desenvolveram o primeiro sistema de formação de imagens baseado em espectroscopia optoeletrônica de terahertz no domínio do tempo. O sistema produziu uma imagem por transmissão de um chip eletrônico encapsulado. Ele usava pulsos de laser de 100 femtossegundos para gerar e detectar a radiação terahertz. Lasers pulsados passaram a ser usados em sistemas comerciais e experimentais de formação de imagens terahertz. A imagem pode ser construída a partir da atenuação ou do atraso de fase do pulso transmitido.

O feixe sofre maior espalhamento nas bordas, e cada material tem seu próprio coeficiente de absorção. Por isso, imagens baseadas na atenuação permitem distinguir contornos e materiais no interior dos objetos. O princípio é semelhante ao da radiografia por transmissão, que forma imagens a partir da atenuação do feixe de raios X.

Outra abordagem usa o atraso do pulso recebido. As partes mais espessas de um objeto causam maior atraso, o que permite estimar sua espessura. A energia nas regiões iluminadas pelo laser segue uma distribuição gaussiana. A geometria de um feixe gaussiano na região de Fraunhofer faz com que a divergência aumente à medida que a frequência diminui, reduzindo a resolução espacial. Em inspeções de componentes eletrônicos, a resolução das imagens terahertz pode superar a de um microscópio acústico de varredura e ficar abaixo da obtida com raios X. Essa limitação dificulta inspeções de detalhes muito pequenos, embora a radiação atravesse o encapsulamento. Os raios X oferecem maior resolução, mas são ionizantes e podem causar danos a semicondutores e tecidos vivos, conforme a dose e as condições de exposição.

Sistemas de formação de imagens terahertz em campo próximo foram desenvolvidos para melhorar a resolução. Neles, o detector precisa ficar muito perto da superfície da amostra, o que dificulta a inspeção de objetos com encapsulamento espesso. Outra técnica usa lasers de frequência superior à de terahertz para excitar junções p-n em semicondutores. As junções excitadas emitem radiação terahertz quando seus contatos estão intactos, permitindo detectar falhas nos dispositivos. A absorção do feixe de excitação pelo encapsulamento também limita essa técnica. A escolha do método precisa conciliar a resolução desejada com a profundidade que a radiação consegue alcançar no material.

Pesquisa sobre a lacuna de terahertz

As pesquisas produziram avanços nos emissores e detectores, mas ainda há dificuldades com o tamanho dos equipamentos, a cobertura de frequências e as temperaturas de operação. Componentes e detectores precisam atender a exigências que ficam entre as da eletrônica de estado sólido e as da fotônica.

Os lasers de elétrons livres podem gerar radiação por emissão estimulada em uma extensa faixa, das micro-ondas aos raios X, passando pelas frequências terahertz. Seu tamanho e custo dificultam aplicações compactas, como as comunicações sem fio, que também exigem controle temporal apropriado. Outras fontes de radiação terahertz em estudo incluem osciladores de estado sólido com multiplicação de frequência, osciladores de onda regressiva, lasers quânticos em cascata e girotrons.

Efeitos biológicos e segurança

A faixa de terahertz fica entre as regiões de radiofrequência e de radiação óptica. A norma IEEE C95.1-2019 estabelece limites de exposição a campos elétricos, magnéticos e eletromagnéticos de 0 Hz a 300 GHz. A norma ANSI Z136.1-2022 trata do uso seguro de lasers com comprimentos de onda de 180 nm a 1.000 μm. O aquecimento dos tecidos pela absorção pode ser estudado com modelos térmicos, mas os efeitos biológicos dependem da frequência, da intensidade e da duração da exposição. A avaliação de efeitos não térmicos e a obtenção de dados para definir limites de segurança permanecem temas de pesquisa.

Em um trabalho teórico publicado em 2010, B. S. Alexandrov e colaboradores do Centro de Estudos Não Lineares do Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México, construíram modelos matemáticos da interação entre a radiação terahertz e o DNA de fita dupla. Embora as forças envolvidas fossem pequenas, os modelos previram que ressonâncias não lineares, menos prováveis que as ressonâncias comuns de menor intensidade, poderiam abrir trechos da dupla fita e formar bolhas, com possíveis alterações na expressão gênica e na replicação do DNA. O trabalho não apresentou uma verificação experimental dessas previsões. Em uma análise teórica divulgada em 2010 e publicada em 2011, Eric S. Swanson concluiu que essas bolhas não se formariam sob hipóteses físicas razoáveis ou quando se levassem em conta os efeitos da temperatura.

Um levantamento de propriedades ópticas publicado em 2003 encontrou uma redução da intensidade da radiação para menos de 1% após os primeiros 500 μm de pele. O trabalho também apontou que havia pouca informação disponível sobre as propriedades ópticas dos tecidos humanos nas frequências terahertz.

Ver também

Notas

  1. ↑ A União Internacional de Telecomunicações adota a faixa de 0,3 a 3 THz, equivalente a 300 a 3.000 GHz, para as ondas decimilimétricas. Essa delimitação também é usada em textos sobre radiação terahertz.
  2. ↑ Não há um limite superior único para a faixa de terahertz. Algumas definições a estendem até 30 THz.

Referências

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Bibliografia complementar

Ligações externas

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