El conjunto de ondas electromagnéticas va desde los rayos cósmicos, rayos gamma, rayos X, pasando por la luz ultravioleta, visible, infrarroja, hasta las ondas de radio. Se caracterizan por la frecuencia a la que oscilan, la longitud de onda y que todas viajan a la velocidad de la luz, que es el producto de las dos primeras cantidades. Como vemos en este número especial dedicado a la luz se ha estudiado la mayoría de estas bandas de ondas electromagnéticas y podemos controlarlas para nuestro bienestar.
Sin embargo, justo a la mitad del espectro electromagnético existe una banda de la que tenemos poca información. Dos décadas del espectro electromagnético, conocido como el “Terahertz Gap”, comprende ondas electromagnéticas entre 0.1 y 10 Terahertz (billones de Hertz) que corresponden a longitudes de onda entre 30 micras y 3 milímetros. Dependiendo del campo de especialidad se les conoce como ondas Terahertz, ondas submilimétricas, infrarojo lejano, ondas milimétricas-Terahertz o Rayos-T. No se han podido estudiar ampliamente ya que no existen en la Tierra fuentes naturales de esta radiación y son difíciles de observar usando detectores comunes; más aún, los modelos de física son de difícil solución matemática y no a mucha gente en el mundo le ha interesado este campo sino hasta recientemente.
El intervalo de los Rayos T está entre las bandas de radiofrecuencias y las bandas infrarrojas del espectro electromagnético que no ha sido desarrollada para uso en campos como la industria, comunicaciones o la investigación científica. Es un área muy intensa de investigación, ya que combina las ventajas de longitudes de ondas largas, que tienen una buena penetración, con las de longitudes de onda cortas, que tienen una buena resolución. Las imágenes que se obtienen permiten ver a través de materiales como tela, plásticos o cerámicos, pero no a través del agua o de algún tipo de metal, obteniendo imágenes similares a los Rayos X; de ahí que se les llame Rayos T. Dada la poca energía que llevan los fotones de los Rayos T no se generan los efectos secundarios en materiales biológicos, como sucede con los Rayos X, así, por ejemplo, se han estudiado momias egipcias con estos Rayos T sin peligro de dañar los milenarios cuerpos.
La primera aplicación masiva de esta tecnología ha sido en los escáneres de cuerpo entero usados en los aeropuertos. Como dijimos, la señal milimétrico-Terahertz puede ver a través de la ropa y revelar la existencia de algún objeto que se quiera esconder (cuchillo, pistolas, drogas…) —la imagen que se observa en la pantalla es alterada en la computadora del escáner para que no se vea a la persona sin ropa. Con la poca energía de los fotones de los Rayos T estos escáneres en los aeropuertos son completamente seguros, aunque la profundidad que se obtiene es de una fracción de milímetro, lo que limita sus aplicaciones a estudiar solo las superficies.
La segunda aplicación concreta que ha tenido esta tecnología es en el campo de la medicina, donde se puede discriminar de manera no invasiva la existencia de tumores en la piel e incluso tratarlos. Debido a la poca penetración, solamente ha sido posible usarla en dermatología y cánceres de piel —la compañía inglesa Teraview es pionera en esta aplicación. La tercera promesa de aplicación es en las telecomunicaciones, ya que en la región de bajas frecuencias Terahertz se tienen señales mucho más rápidas que en las bandas usadas actualmente en telecomunicaciones. De hecho los Rayos T se consideran en la clasificación internacional en la banda de 0.03 a 0.3 Terahertz como EHF (Extremely High Frequency) y de 0.3 a 3 Terahertz THF (Tremendous High Frequency), que están por encima de las bandas de UHF o VHF —éstas son bandas reguladas por la Secretaría de Comunicaciones y Transportes que no son muy usadas.
Contradictoriamente a la falta de entendimiento que tenemos de esta radiación es sorprendente enterarse que es posiblemente la región del espectro electromagnético más brillante en el Universo solo superada por la radiación cósmica de fondo remanente del Big Bang. George Gamow, Ralph Alpher y Robert Hermann predijeron la radiación de fondo a una temperatura de 5 grados Kelvin en 1948, y Robert Woodrow Wilson y Arno Allan Penzias descubrieron accidentalmente en 1964 esta radiación cósmica de fondo de microondas a 2.725 grados Kelvin —por lo que obtuvieron el premio Nobel en 1978. Esto significa que emite como cuerpo negro en todos los colores y principalmente en una longitud de onda de 2 mm. Es decir, los comienzos del universo y el polvo cósmico interestelar del que estamos hechos emiten en Rayos T. Tratando de estudiar esta radiación de los primeros momentos del universo en el INAOE se ha hecho el esfuerzo de estudiar la banda de 1 mm a 3 mm usando el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM) en el cerro de La Negra, en el estado de Puebla.
Durante mucho tiempo la región THz fue exclusivamente de interés para la física fundamental. Fue hasta 1965 que Fritz Zernike Jr obtuvo la primera fuente artificial, operando a 120 micras usando un láser de rubí iluminando un cristal de cuarzo. Históricamente los esfuerzos de controlar los Rayos T eran en la física fundamental. Fue hasta 1995 que Hu y Nuss, en los laboratorios Bell, propusieron usar esta radiación para formar imágenes que empezó el estudio actual de los rayos-T. En la actualidad se conocen cinco caminos para el desarrollo de fuentes de Rayos T: (1) bombeo de antenas semiconductoras con pulsos láser ultracortos, (2) láseres semiconductores en cascada, (3) multiplicación directa de fuentes, (4) mezclado no lineal de fuentes y (5) corrimiento Raman de láseres de bióxido de carbono. De manera paralela se ha avanzado en detectores térmicos para ver esta radiación. En un principio solamente se podía detectar esta radiación usando detectores muy fríos, a temperaturas de helio líquido o 4 grados Kelvin, con muy mala sensibilidad. En la actualidad calorímetros, detectores piroeléctricos y principalmente bolómetros calientes han sido desarrollados para ver esta radiación.
Por lo anterior los Rayos T han dejado de ser solamente una curiosidad científica para comenzar a llegar a nuestras casas. Ya se usan en los escáneres de seguridad de los aeropuertos, en dispositivos prototipo de exploración médica y en sistemas de espectroscopía para el análisis de materiales. Los Rayos T pueden detectar moléculas, como las presentes en los tumores cancerosos o en el ADN —ya que cada molécula tiene su firma única en el intervalo de Terahertz. También se pueden utilizar para detectar explosivos o drogas, para el monitoreo de gases contaminantes, o en ensayos no destructivos de semiconductores integrados de microchips. Incluso con los desarrollos en láseres de cascada cuántica, en un futuro no muy lejano, se podrán usar para ver y estudiar el cuerpo como los “tricoders” que usaban los médicos de la serie Viaje a las estrellas.
