Na
coluna de dezembro de 2010,
descrevi os princípios e algumas aplicações da radiação terahertz
(THz), também conhecida como radiação T ou raios T. A ideia de explorar
essa parte do espectro eletromagnético surgiu há quase 90 anos, mas suas
realizações práticas só começaram nos anos 1970.
A base de dados
Web of Science
registra apenas três artigos sobre o tema publicados naquela década.
Nos 10 anos seguintes, esse número subiu para 32 e, a partir de então,
cresceu em elevadas taxas: 1.047 artigos nos anos 1990, 9.139 nos anos
2000 e 4.428 apenas nos últimos dois anos e meio. O retardo das
primeiras aplicações dessa radiação e o abrupto crescimento dessas
pesquisas a partir dos anos 1990 devem-se a dois fatores contrários: de
um lado, a falta, e de outro, a disponibilidade de recursos
tecnológicos.
Engenheiros e pesquisadores têm se deparado com desafios enormes para
conjugar fatores tecnológicos importantes na fabricação de fontes de
raios T
Todo processo que faça uso de qualquer tipo de radiação requer uma
fonte (dispositivo que emite a radiação) e um detector. Engenheiros e
pesquisadores têm se deparado com desafios enormes para conjugar fatores
tecnológicos importantes na fabricação de fontes de raios T.
Idealmente, tais fontes devem ser à base de dispositivos em estado
sólido baratos, que funcionem em temperatura ambiente e forneçam feixes
intensos e de alta potência.
Um dos principais candidatos a esse posto são os
dispositivos do tipo CMOS. Mas as primeiras fontes de raios T com
essa tecnologia,
surgidas a partir de 2008, apresentaram algumas deficiências técnicas,
encabeçadas pela baixa frequência e baixa potência do feixe irradiado.
Por isso, os raios T vinham sendo produzidos com equipamentos caros e de
baixa praticidade, como diferentes tipos de
laser ou de
junções Josephson em baixa temperatura.
- Sensor CMOS. A tecnologia
desse tipo de dispositivo é uma das principais opções a serem usadas na
fabricação de fontes de raios T. (foto: Wikimedia Commons/ Master dpo –
CC BY-SA 3.0)
Muito recentemente, pesquisadores da Universidade Cornell (Estados
Unidos) elaboraram um engenhoso modo de produzir raios T com potência 10
mil vezes maior do que a dos feixes gerados pelos modelos anteriores.
Em
trabalho publicado na prestigiosa Physical Review Letters no início de junho, eles descrevem o funcionamento dessa inovadora fonte de raios T, construída com tecnologia CMOS.
Vários osciladores, cada um com frequência de 75 gigahertz (GHz), são
acoplados a uma estrutura circular, de tal modo que, no centro do
círculo, o sistema gera feixes de 290 GHz – ou 0,29 THz – e potência de
0,76 miliwatt (mW). Menos de 1 milésimo de watt é uma potência muito
baixa, mas já dá para ser usada em algumas aplicações, como obtenção de
imagens em sistemas biológicos.
Aplicações variadas
Para uso em tratamentos de saúde e obtenção de imagens nessa área, a
radiação T apresenta características mais interessantes que a dos raios X
e do infravermelho. Ao contrário dos raios X, por exemplo, os raios T
não são ionizantes, de modo que o risco cancerígeno não existe quando
eles interagem com os tecidos de seres vivos. E, devido a sua baixa
potência, a radiação T não aquece o material, como ocorre no caso do uso
de infravermelho.
Além disso, nunca é demais ressaltar o alto poder de penetração dos
raios T em materiais desidratados, não-metálicos, plásticos, papéis e
cartolinas, e a quase impenetrabilidade em materiais metálicos e
líquidos polares como a água. Tais propriedades transformam esses raios
em excelente ferramenta para a obtenção de imagens.
A interação dos raios T com determinado material gera uma resposta que pode ser comparada a uma impressão digital
As imagens geradas pelos raios T são muito similares àquelas obtidas
por ressonância magnética em exames clínicos. Nesses processos, as
medidas eletromagnéticas são transformadas em imagens por meio de
complicados programas computacionais.
A interação dos raios T com determinado material gera uma resposta
que pode ser comparada a uma impressão digital. Essa marca única é
definida pelas frequências rotacionais e vibracionais das moléculas dos
materiais: cada valor associado a essas frequências produz uma imagem
diferente.
Por coincidência, moléculas de muitos materiais explosivos e de
várias drogas apresentam frequências rotacionais e vibracionais na mesma
faixa dos raios T, o que faz com que essas substâncias sejam facilmente
exibidas em imagens obtidas com esse tipo de radiação.
- Os raios T podem ser
excelentes ferramentas para a identificação de materiais explosivos, que
são facilmente exibidos nas imagens obtidas a partir desse tipo de
radiação. (foto: Wikimedia Commons/ Olecrab – CC BY 3.0)
Mas a aplicação que vem fazendo a cabeça de pesquisadores e
industriais é o uso dos raios T na transmissão sem fio, por causa dos
sinais ultrarrápidos dessa radiação e da sua larga banda de frequência –
de aproximadamente 275 até 3 mil GHz (ou 3 THz). Essa banda de
frequência estaria praticamente toda disponível para utilização, ou
seja, haveria inúmeras vias para a transmissão de dados.
É preciso ressaltar também que, com essa tecnologia, será possível
transmitir dados com a impressionante velocidade de 10 gigabits por
segundo (Gb/s). Atualmente, a máxima velocidade de transferência das
fontes convencionais é de 150 megabits por segundo (Mb/s). O
recorde atingido pelos primeiros dispositivos de raios T foi recentemente divulgado e está na faixa de 3 Gb/s.
Todos os dispositivos e resultados aqui relatados são factíveis e
objeto de patentes industriais, mas sua oferta comercial ainda é
incipiente. Embora os mais céticos insistam em dizer que esses
resultados são mais interessantes na teoria do que na prática, vale
lembrar que há mais de uma década a empresa TeraView, uma subsidiária da
Toshiba, oferece serviços de imagens clínicas com os raios T. Portanto,
na área médica, essa é uma realidade comercial que deverá crescer nos
próximos anos.
O mesmo não pode ser dito na área de telecomunicações, uma vez que os
obstáculos a serem vencidos na eletrônica de alta frequência ainda são
consideráveis. Apenas na faixa de frequência de aproximadamente um
décimo do terahertz é que dispomos de equipamentos com rendimentos
aceitáveis. Todavia, pesquisadores e engenheiros da área estão mais do
que confiantes de que logo teremos dispositivos terahertz.
Carlos Alberto dos Santos
Professor-visitante sênior da Universidade Federal da Integração Latino-americana
Tomógrafo está desligado preventivamente, diz secretaria (Foto: Jorge Darze/ Sindicato dos Médicos do RJ)
