A radiação terahertz

Apesar de ainda pouco explorada, a radiação terahertz já fornece mostra de sua potencialidade em análises de materiais e obtenções de imagens.

© Virgilio Guidi (quadro Marinha)

Nada substitui o olho de um especialista para avaliar as particularidades de um quadro. Mas o emprego em importantes museus e instituições culturais do país de uma série de análises físicas e químicas tornou-se uma ferramenta adicional para entender o estilo e o processo criativo de certos pintores, dar parâmetros ao trabalho de conservação e restauração e trazer à tona facetas ocultas de algumas pinturas. Nesse sentido, a história do quadro Marinha, um óleo sobre madeira produzido provavelmente no início da década de 1940 pelo italiano Virgilio Guidi (1891-1984), é bastante ilustrativa. No catálogo do Museu de Arte Contemporânea da Universidade de São Paulo (MAC-USP), onde se encontra guardada, essa tela abriga, oficialmente, apenas uma pintura: uma vista do Grande Canal de Veneza, com destaque para a Igreja de San Giorgio Maggiore. No entanto, basta virar o quadro para ver, a olho nu, em seu verso o retrato de uma mulher. Imagens no infravermelho desse lado B da tela revelaram uma terceira pintura escondida sob as tintas que deram forma à figura feminina: outra cena marítima da cidade italiana.

Os raios X, raios gama, raios ultravioleta, raios infravermelhos e micro-ondas representam diferentes formas de radiação eletromagnética. A radiação infravermelha se manifesta sob a forma de calor.

No espectro eletromagnético, entre a faixa das micro-ondas e do infravermelho existe uma zona pouco explorada científica e tecnologicamente, a radiação terahertz gerada pelos raios T.

O nome vem da faixa de frequências dessa radiação, entre 0,3 e 3 THz (terahertz ou trilhões de hertz). Em termos de comprimento de onda, os raios T vão de 1.000 a 100 micrômetros.

Depois de muitas e infrutíferas tentativas de aproveitamento dos raios T, parece que agora há indícios de que teremos finalmente a exploração da última fronteira de pesquisa em eletrônica de alta frequência.

Há quase 90 anos, mais precisamente em 1923, E. F. Nichols e J. D. Tear publicaram um artigo com o sugestivo título “Unindo os espectros do infravermelho e das ondas elétricas”.

Desde então, físicos e engenheiros têm preconizado uma “nova era” para essa fronteira entre o infravermelho e a micro-onda, para logo depois se depararem com resultados pífios.

Os desenvolvimentos científicos e tecnológicos nos dois lados da fronteira têm sido notáveis, tais como os artefatos modernos: forno de micro-ondas, telefones celulares, telefones sem fio e GPS.

No lado do infravermelho, não é menos notável o desenvolvimento tecnológico, muitas vezes impulsionado por interesses militares. Entre as inúmeras aplicações civis, podemos destacar aquelas relacionadas a pesquisas em astronomia, em química e na análise de objetos de arte, sobretudo pinturas.

Enquanto a micro-onda, com frequência na faixa do gigahertz, é capaz tão somente de produzir rotações nas moléculas, a parte superior do infravermelho, com frequência maior que 10 terahertz, é capaz de produzir vibrações, resultantes de interações intermoleculares.

Já a radiação terahertz faz as duas coisas simultaneamente. A análise com raios T permite, ao mesmo tempo, a análise de materiais quanto à sua estrutura molecular, assim como a análise com micro-onda, e quanto à sua composição química, do mesmo modo que a análise com infravermelho.

Esse comportamento extremamente interessante é conhecido desde os anos 1920, mas foi necessário esperar por uma ideia bastante criativa para que feixes de raios T com alta luminosidade e grande faixa de frequências pudessem ser produzidos.

Uma ideia inovadora, originada nos laboratórios Bell, no final dos anos 1980, utilizou um laser de femtosegundos (femtosegundo é um quadrilionésimo de segundo). Quando um pulso emitido pelo laser atinge uma antena fotocondutiva, material que emite pulsos elétricos quando iluminada, também inventado pelos pesquisadores da Bell, o resultado é a emissão de pulsos com frequências entre 300 gigahertz e 10 terahertz.

Tão interessante quanto isso é o fato de que pequenas modificações técnicas na estrutura do circuito transformam uma antena emissora em receptora, dois elementos importantes para o funcionamento de um equipamento de raios T.

Seu alto poder de penetração em materiais desidratados, não-metálicos, plásticos, papéis e cartolinas e sua impenetrabilidade em materiais metálicos e líquidos polares como a água fazem da radiação T uma excelente ferramenta para obtenção de imagens, uma das aplicações mais extasiantes da atualidade.

Quando o feixe do laser atinge a antena emissora constituída de material fotocondutor, produz pulsos de raios T, os quais são modificados, em sua forma e frequência, em decorrência da interação com o material da amostra. Um sistema eletrônico convencional transforma os sinais elétricos produzidos pela antena em imagens.

Um cálculo simples mostra a eficiência desse sistema de aquisição de imagem com raios T. Antes do uso do laser de femtosegundo e das antenas fotocondutivas, seriam necessários 15 dias para a obtenção de uma imagem de 100 pixel x 100 pixel com raios T. Com o sistema desenvolvido pelo pessoal da Bell é possível analisar 100 pixels por segundo, de modo que a imagem de 100x100 é obtida em pouco mais de 1 minuto.

Muitos dos resultados de aplicações analíticas da radiação T são similares àqueles obtidos com o infravermelho. Já nas aplicações com imagens, além das duas formas de radiações eletromagnéticas, os raios X aliam-se na concorrência.

Os pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda, mostraram como os raios T podem ser utilizados, de modo não destrutivo, para determinar espessuras de camadas de tinta abaixo de uma pintura, algo impossível com o uso de raios X ou infravermelho.

Ao contrário dos raios X, os raios T não ionizam o material analisado e, ao contrário do infravermelho, não o aquece por causa da baixíssima intensidade necessária para a realização das análises.

Apesar de todas as vantagens apontadas até aqui, ainda há uma séria limitação a ser superada nos atuais equipamentos: a baixa resolução espacial. A resolução espacial dos equipamentos atuais está na faixa do milímetro, ou seja, objetos na escala micrométrica não são bem identificados.

Aumentar a resolução espacial dos equipamentos de raios T é, portanto, um efervescente desafio de pesquisa, que poderá fazer com que a radiação terahertz seja digna dos sonhos dos pesquisadores da área.

Recentemente, Godfrey Gumbs e seus colegas da Universidade Cidade de Nova Iorque idealizaram um dispositivo que permite converter uma corrente contínua, como a armazenada em baterias, em uma fonte ajustável de radiação terahertz.

O dispositivo é baseado nos plásmons de superfície, ondas de elétrons que se formam na superfície dos metais. Foi idealizado um semicondutor híbrido: uma camada mais grossa de um material eletricamente condutor envolvida por duas camadas muito finas, que podem ser de grafeno, siliceno, ou mesmo de um gás.

Quando a corrente contínua passa através desse sanduíche, ela cria uma ressonância plasmônica com um comprimento de onda muito específico, que induz a emissão da radiação terahertz, que pode então ser "coletada" por uma antena em forma de grade.

Ajustando os vários parâmetros, como a densidade do semicondutor híbrido ou da corrente contínua aplicada, é possível ajustar o comprimento de onda, ou seja, a frequência da radiação terahertz produzida.

"Nossa abordagem baseada em semicondutores híbridos pode ser generalizada para incluir outros materiais bidimensionais emergentes, tais como o nitreto de boro hexagonal, a molibdenita e o disseleneto de tungstênio," disse o professor Andrii Iurov, coordenador da equipe.

Um artigo intitulado “Tunable surface plasmon instability leading to emission of radiation”, que descreve a converção de uma corrente contínua em uma fonte ajustável de radiação terahertz, foi publicado no Journal of Applied Physics.

Fonte: Ciência Hoje e Pesquisa FAPESP