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I raggi T avanzano verso lo screening aeroportuale
I ricercatori di tutto il mondo stanno cercando di sfruttare una porzione a malapena utilizzata dello spettro elettromagnetico, le radiazioni terahertz, per scansionare i passeggeri delle compagnie aeree alla ricerca di esplosivi e droghe illegali. I raggi sono particolarmente attraenti: possono vedere attraverso vestiti, carta, pelle, plastica, legno e ceramica. Non penetrano bene come i raggi X, ma non danneggiano nemmeno i tessuti viventi. E possono leggere le firme spettroscopiche, rilevando la differenza tra, diciamo, un gel per capelli e un esplosivo.
Questo minuscolo rettangolo grigio, più piccolo della D in DIME, è un laser a cascata quantica che potrebbe essere la chiave per le tecnologie di imaging terahertz per i futuri dispositivi di screening aeroportuale. Il laser è fissato all'elettronica che lo controlla.
Mentre alcuni sistemi commerciali sono già disponibili per applicazioni limitate (un dispositivo giapponese esegue la scansione della posta alla ricerca di droghe di contrabbando), una macchina per la scansione dei passeggeri delle compagnie aeree è stata lenta ad evolversi, principalmente a causa della difficoltà di creare la radiazione terahertz. Lo scanner ideale emetterebbe un raggio di raggi t su oggetti di passaggio o su persone a pochi metri di distanza, quindi misurerebbe i raggi riflessi dai soggetti e li confronterebbe con un database di firme spettroscopiche. Ma la maggior parte delle sorgenti esistenti di raggi t fornisce solo raggi deboli, che rendono il rilevamento più lento e difficile.
Ora un professore del MIT potrebbe essere sul punto di risolvere questo problema con un nuovo tipo di laser.
Un metodo tipico per produrre raggi t, che si trovano tra la luce infrarossa e le microonde sullo spettro elettromagnetico; le frequenze comprese tra circa 0,5 e 4,0 terahertz sono di maggiore interesse: è utilizzare un laser che produce luce infrarossa e, attraverso la manipolazione ottica, la risintonizza su frequenze terahertz. La potenza risultante è misurata in milionesimi, o addirittura trilionesimi, di watt. Affinché il rilevatore rilevi quel tipo di segnale molto debole, il raggio dovrebbe essere scansionato lentamente su un oggetto da una distanza ravvicinata, costruendo un'immagine un pixel alla volta. La fonte alternativa è un enorme laser a gas che occupa un intero banco di laboratorio. Né è pratico per elaborare rapidamente migliaia di viaggiatori aerei.
Ma Qing Hu, un professore del Research Laboratory of Electronics del MIT, ha progettato laser delle dimensioni di una capocchia di spillo che possono produrre 250 milliwatt a 4,3 terahertz e poco meno di 100 milliwatt a 1,5 terahertz. È una potenza sufficiente per inviare un raggio a una distanza di diversi metri, farlo rimbalzare su un oggetto e utilizzare il segnale di ritorno per creare un'immagine istantanea. Invece di visualizzare un pixel alla volta, i raggi t potrebbero essere rilevati da una matrice sul piano focale, come il rilevatore di una videocamera. Ciò consentirebbe al personale di sicurezza di vedere sotto i cappotti e nelle valigie mentre le persone passano. Siamo in grado di realizzare un film in t-ray, dice Hu, il che significa che la sua tecnologia può fornire immagini in tempo reale.
La chiave della tecnologia di Hu è un laser a cascata quantica, un minuscolo semiconduttore con incisioni su scala nanometrica chiamate pozzi quantici incisi al suo interno. Nei laser standard, un elettrone in uno stato ad alta energia cade in uno stato a bassa energia, rilasciando l'energia in eccesso sotto forma di fotone di luce. Nei laser a cascata quantistica, l'elettrone cade in un pozzo quantico, emette un fotone e quindi si sposta attraverso una sottile barriera al pozzo successivo, dove emette un altro fotone e così via, proprio come una pallina da ping-pong che scende le scale, Hu dice. Il risultato sono molti più fotoni e quindi raggi t più potenti.
I laser di Hu sono un componente chiave di un dispositivo di sicurezza terahertz che Laboratorio Nazionale Sandia sta sviluppando, afferma l'investigatore principale di Sandia Mike Wanke. Il progetto triennale del laboratorio, giunto al secondo anno, mira a integrare una sorgente laser e un rivelatore nello stesso dispositivo. Ciò elimina le complesse configurazioni ottiche e migliora la sensibilità del rivelatore di ordini di grandezza, afferma Wanke. Immagina un modulo che può essere utilizzato per realizzare sistemi t-ray compatti e commercialmente validi per l'uso negli aeroporti. Stiamo cercando di fare in modo che sia un sistema chiavi in mano, drop-in-place, dice. Aggiunge che una volta che Sandia ha un prototipo di successo, le aziende possono affrontare la sfida dello sviluppo del prodotto.
I laser devono raggiungere frequenze più basse per fare un lavoro migliore nel penetrare il materiale: più basso è, meglio è, dice Hu. Ma frequenze più basse significano pozzi quantici più piccoli, che sono più difficili da costruire con precisione. Hu non prevederà quando i sistemi commerciali potrebbero essere disponibili.
Ma Xi-Cheng Zhang, direttore del Rensselaer Polytechnic Institute's Centro per la ricerca Terahertz dice che Hu batte sempre il record che stabilisce per se stesso. Zhang afferma che è probabile che i miglioramenti nell'ingegneria o l'uso di diversi materiali semiconduttori renderanno i laser a cascata quantica ancora migliori. Si aspetta che la maggior parte dei problemi venga risolta in un anno o due. Uno di questi problemi è che i laser operano a temperature criogeniche e richiedono apparecchiature di raffreddamento ingombranti; Hu detiene il record per la massima temperatura di esercizio. Dopo che tali problemi sono stati risolti, le forze di mercato piuttosto che i problemi tecnici determineranno il tempo necessario affinché uno scanner commerciale si presenti in un aeroporto, afferma Zhang.
Hu afferma che la tecnologia è di particolare interesse, oltre alle applicazioni commerciali per i viaggi aerei, ai militari. DARPA [la Defense Advanced Research Projects Agency] è molto interessata a questo per identificare gli attentatori suicidi, dice. I raggi T non sono l'unico modo per farlo; altri sistemi che raggiungono il mercato utilizzano radar e software di elaborazione della visione. (Vedi Camminare come un bombardiere.)
Zhang ha fondato una società, Zomega Terahertz che crea un rilevatore di raggi T delle dimensioni di un laptop che può essere collegato a un drone volante per il rilevamento remoto di sostanze chimiche e biologiche. Mentre i trilionesimi di watt prodotti dal laser a infrarossi nel dispositivo vanno bene per l'analisi spettroscopica di campioni d'aria, non sono adeguati per l'imaging ed è improbabile che la tecnologia laser migliori abbastanza da essere utilizzata nella sicurezza aeroportuale, afferma Zhang. Crede che i laser a cascata quantica siano il futuro dei sistemi di rilevamento a raggi T: saranno i vincitori finali sul mercato.