La radiazione Terahertz detta anche radiazione submillimetrica, raggi T, onde T, T-light, T-lux, THF è una radiazione elettromagnetica. L’Unione internazionale delle telecomunicazioni (UIT) interrompe la classificazione delle frequenze con l'EHF, banda compresa tra 30 GHz e 300 GHz, dato che l'assorbimento atmosferico non permette le telecomunicazioni in intervalli di frequenze più alte.
Il termine radiazione Terahertz è una denominazione relativamente recente per indicare un certo intervallo di frequenze. Il confine tra la radiazione Terahertz e le gamme di radiazioni vicine non è netto e può variare a seconda dei diversi campi di studio. Infatti solo nel 1974 per la prima volta Fleming utilizzò tale termine per indicare quello che fino allora si indicava come lontano infrarosso, abbreviato con l'acronimo FIR. La lunghezza d'onda della radiazione nella fascia dei Terahertz varia da circa 3 mm a 0,03 mm (o 30 µm), corrispondente a frequenze comprese tra 0,1 e 10 THz.
Storia Tale radiazione è nota dalla fine del '800, molti famosi ricercatori tra cui Lord Rayleigh e J C Bose diedero importanti contributi già alla fine del '800. Ma è apparso subito chiaro che l'assorbimento della atmosfera poneva grosso limiti all'uso in telecomunicazioni che incominciavano a essere utilizzate in quegli anni. La legge di Planck fu ricavata grazie alle misure fatte nel 1901. La ricerca per circa 50 anni in questo campo rimase limitata a un numero limitato di ricercatori. Solo nel 1947 vennero sviluppati nuovi rivelatori molto sensibili: le celle di Golay.
Nel 1960 venne misurata direttamente l'energy gap (banda proibita) dei superconduttori prevista dalla Teoria BCS. Nel 1970 si cominciò a capire che l'analisi spettroscopica in questo intervallo di frequenze permetteva la conoscenza della composizione del mezzo interstellare, ad esempio del CO nella Nebulosa di Orione. La ricerca in astronomia a partire da quegli anni ha avuto un enorme sviluppo. Nel 1974 comincia la ricerca spaziale sistematica con il Kuiper Airborne Observatory, cioè mediante aerei ad alta quota, tale ricerca viene sostituita nel 1983 con il primo satellite, IRAS, dedicato a tutto lo spettro infrarosso. L'interesse in astronomia in questo campo dallo spazio fa parte della ricerca attuale come descritto nel seguito.
Tra il 1960 e il 1980 si hanno le principali innovazioni tecnologiche sia come rivelatori bolometrici (semiconduttori, piroelettrici e superconduttori), sia come sorgenti (vedi dopo). Ma forse, la più importante innovazione tecnologica di quegli anni è stata la costruzione di strumenti in grado di fare la spettroscopia in trasformata di Fourier. Tale tecnica si è dimostrata molto adatta per studiare le proprietà ottiche di solidi, liquidi e gas. La limitazione iniziale era la mancanza di computer sufficientemente veloci per eseguire l'analisi in breve tempo. Attualmente l'analisi grazie allo sviluppo dei computer viene fatta quasi in tempo reale, ed è ancora la tecnica più utilizzata per frequenze superiori a 2 THz, a frequenze inferiori la spettroscopia nel dominio del tempo risulta più adatta e fornisce maggiori informazioni.
Vi è da aggiungere che questo intervallo di frequenze ha assunto grande importanza in fisica dell'atmosfera, biologia, fisica del plasma, chimica, controllo non distruttivo. Ma in particolare ha assunto una grande importanza nella sicurezza, in questi ultimi anni, in quanto molte droghe ed esplosivi hanno delle proprietà spettroscopiche peculiari in questo intervallo di frequenze.
Introduzione
La figura a fianco mostra le righe di assorbimento dell'aria a frequenze comprese tra 1 THz e 3 THz sulla sommità del vulcano Mauna Kea alle Hawaii, anche se è un luogo con bassissima umidità, tuttavia sono ben visibili le righe di assorbimento dovute essenzialmente al vapore d'acqua. Questa figura mostra la difficoltà di trasmettere tale radiazione nell'aria, ma anche la sua importanza nello studio della atmosfera.
Le onde elettromagnetiche con frequenze attorno al terahertz occupano la porzione dello spettro tra l'infrarosso e le microonde, una regione finora poco utilizzata. Anche se si tratta di onde molto interessanti che possiedono caratteristiche di entrambe le bande adiacenti. Attorno a 300 GHz molti materiali quali plastiche, carte, tessuti, ecc. hanno un basso assorbimento per cui queste frequenze possono essere usate con successo per identificare oggetti nascosti, ma a frequenze superiori a 1 THz la maggior parte dei materiali elencati diventano molto assorbenti. Ad esempio spessori di carta di 1 mm possono attenuare la radiazione di molti ordini di grandezza. Per avere una idea a 8 THz 10 cm di aria attenuano la radiazione di un fattore 100. Tuttavia i semiconduttori di elevata purezza e alcune plastiche come il polietilene sono abbastanza trasparenti in tutto questo intervallo di frequenze. Vi è da aggiungere che la radiazione al THz avendo una lunghezza d'onda inferiore al mm, può essere usata per creare immagini di oggetti con buona risoluzione: la risoluzione dipende dalla lunghezza d'onda. Le microonde avendo lunghezze d'onda dell'ordine di grandezza dei cm creano immagini a più bassa risoluzione. Si tenga comunque presente che la radiazione Terahertz ha una limitata penetrazione attraverso la nebbia e le nuvole, e non può penetrare nell'acqua o nei metalli.
Per capire l'importanza di questa radiazione va considerata la relazione tra temperatura e frequenza descritta dalla legge di Planck:
dove è la costante di Planck, la costante di Boltzmann.
La radianza di un corpo nero, secondo la legge di Planck, ha un chiaro massimo, abbastanza stretto, per la frequenza
Da questa relazione si ricava che la temperatura che corrisponde alla frequenza di 1 THz è 17 K, mentre a 10 THz corrispondono 170 K. Questa è una particolare regione dello spettro elettromagnetico. Infatti l'energie che corrispondono a tali frequenze (temperature) sono quelle tipiche di molte bande fononiche, dei livelli energetici dei droganti nei semiconduttori e molti livelli energetici rotazionali nei gas. Quindi queste frequenze permettono di studiare molti fenomeni connessi con tali livelli energetici.
Sorgenti L'elenco delle possibili sorgenti non inganni; in realtà, la difficoltà in questa parte dello spettro, di avere sorgenti intense, ha originato molte alternative. Poiché nel campo delle microonde è facile trovare sorgenti che producono potenze di centinaia di watt, nel campo dei THz avere sorgenti con potenze dell'ordine del mW è una rarità, e parecchie delle sorgenti descritte in seguito producono pochi nW. Anche nell'infrarosso è facile avere potenze di centinaia di watt. Per questa ragione questa banda di frequenze elettromagnetiche viene identificata come TeraHertz gap.
Sorgenti termiche Un qualsiasi corpo a una temperatura T emette radiazione secondo la legge di Planck. Da tale legge si ricava che nella potenza totale emessa da un corpo ideale caldo, ad esempio a 1500 °K, lo è costituita da radiazione tra 1 THz e 5 THz, la gran parte della radiazione essendo principalmente infrarossa, mentre la parte visibile è anch'essa trascurabile. All'aumentare della temperatura la potenza totale di emissione aumenta con la quarta potenza della temperatura, e diventa principalmente luce visibile solo a circa 5000 K, ma la potenza emessa nell'intervallo di frequenze del THz cresce solo in maniera lineare, e quindi percentualmente diventa molto minore rispetto al resto.
Le più economiche e semplici sorgenti al THz sono quindi i globar, cioè dei cilindri di carburo di silicio o altri materiali refrattari, che possono essere portati a temperatura molto elevata in aria (difficilmente la loro temperatura è maggiore di 1700 °K). Sono sorgenti puntiformi ideali.
Temperature più elevate, e quindi potenze emesse maggiori, si ottengono con sorgenti al plasma contenute in recipienti di quarzo fuso. La temperatura del plasma può essere facilmente di molte migliaia di kelvin, ma in questo caso l'emissione non è proprio quella di un corpo nero, infatti l'involucro di quarzo fuso assorbe le frequenze superiori a 2 THz e quindi si porta a una temperatura di circa un migliaio di kelvin. Quindi l'involucro si comporta come una sorgente più fredda, ma più estesa rispetto al plasma centrale. Inoltre nella scarica dei plasma è presente una componente ultravioletta che può essere un problema per gli effetti secondari.
Laser Laser a gas
Anche, se attualmente poco usati, molti gas sono stati usati nel passato per produrre fasci collimati relativamente intensi. Allo scopo di avere tali sorgenti sono eccitati dei gradi di libertà vibrazionali e vengono sfruttate le transizioni tra livelli rotazionali che hanno frequenze caratteristiche nel THz. L'energia di eccitazione può essere elettrica o si usano dei laser infrarossi come pompe (in genere laser ad anidride carbonica ). Il gas utilizzato come elemento attivo determina la frequenza e l'elenco dei gas utilizzati è molto grande, ad esempio sono stati usati acqua, acido formico, ammoniaca, difluorometano, metanolo. Variando la pressione dei gas si riesce a variare la frequenza e quindi si riesce a coprire gran parte dello spettro al THz.
Laser a stato solido
Lo sviluppo dei laser a stato solido ha permesso di utilizzare anche nel THz tali materiali. Il materiale usato è stato inizialmente il germanio con drogaggio p la cui frequenza è accordabile tra 1 e 4 THz utilizzando intensi campi magnetici. Sono stati sviluppati anche laser al silicio che sfruttano i livelli di transizione di accettori come il gallio.
Laser a cascata quantica
I laser a cascata quantica (QCL) sono una sorgente di radiazione THz molto promettente. In realtà tali dispositivi sono stati inizialmente sviluppati per generare radiazione nel medio infrarosso e otto anni dopo nel THz. I laser a QCL utilizzano solo il salto quantico degli elettroni tra livelli quantizzati creati artificialmente mediante una crescita controllata a livello atomico di strati di semiconduttori diversi. Un solo elettrone in questo processo genera molti fotoni. Ma le dimensioni fisiche di questi laser sono di un ordine di grandezza inferiore alla lunghezza d'onda tipica, quindi il fascio laser prodotto è molto divergente e questo rappresenta un problema nel loro uso. Ma vi sono tecniche per rendere i fasci focalizzati Inoltre per avere una potenza ragionevole è necessario che questi dispositivi funzionino a temperature criogeniche: tipicamente qualche decina di K.
Laser a elettroni liberi (FEL)
I laser a elettroni liberi abbreviato in FEL è un tipo di laser in cui il mezzo attivo consiste di elettroni di grandissima energia che si muovono liberamente in una struttura magnetica. La radiazione elettromagnetica prodotta copre un intervallo di frequenze che vanno dalle microonde fino ai raggi X. Sono in realtà delle sorgenti molto grandi, in quanto necessitano di acceleratore di particelle per portare gli elettroni a grandissime energie. Le potenze emesse sono molto intense e sono facilmente accordabili in frequenza. Esistono delle facility presenti anche in Italia in importanti centri di ricerca.
Miscelatori di fotoni Se due onde elettromagnetiche diverse incidono su un elemento non lineare vengono generate delle onde elettromagnetiche che sono la somma o la differenza delle armoniche principali. Il mescolamento di frequenze è una tecnica utilizzata nella tecnologia radio dove il diodo ha una funzione di separare le componenti. Su questo principio si basano molte sorgenti più o meno intense di onde elettromagnetiche al THz. La prima possibilità è l'uso di due frequenze vicine di un laser nel visibile o nel vicino infrarosso. In questo caso la differenza delle due frequenze deve cadere nel THz. L'elemento non lineare utilizzato è in genere un Diodo Schottky, che ha una elevata velocità di commutazione, ma anche sono utilizzate giunzioni