miniaturadaimagem|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 miniaturadaimagem|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 miniaturadaimagem|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