La technologie térahertz pourrait permettre la mise au point de scanners avancés pour la sécurité, la médecine et la science des matériaux. Elle pourrait également permettre la mise en place de dispositifs de communication sans fil beaucoup plus rapides que ce qui est actuellement possible.
Les scientifiques ont découvert un nouvel effet dans les systèmes conducteurs bidimensionnels qui promet une amélioration des performances des détecteurs térahertz.
Une récente découverte de physique dans les systèmes conducteurs bidimensionnels permet un nouveau type de détecteur térahertz. Les fréquences térahertz, qui se situent entre les micro-ondes et l’infrarouge sur le spectre du rayonnement électromagnétique, pourraient permettre de mettre au point des technologies d’imagerie plus rapides, plus sûres et plus efficaces, ainsi que des télécommunications sans fil beaucoup plus rapides. Le manque de dispositifs efficaces dans le monde réel a entravé ces développements, mais cette nouvelle percée nous rapproche un peu plus de ces technologies avancées.
Une équipe de scientifiques du Cavendish Laboratory, en collaboration avec des collègues des universités d’Augsbourg (Allemagne) et de Lancaster, a découvert un nouvel effet physique lorsque des systèmes électroniques bidimensionnels sont exposés à des ondes térahertz.
“Le fait que de tels effets puissent exister au sein de gaz d’électrons bidimensionnels hautement conducteurs à des fréquences beaucoup plus basses n’a pas été compris jusqu’à présent, mais nous avons pu le prouver expérimentalement.” – Wladislaw Michailow
Pour commencer, que sont les ondes térahertz ? “Nous communiquons à l’aide de téléphones portables qui transmettent des micro-ondes et utilisons des caméras infrarouges pour la vision nocturne. Le térahertz est le type de rayonnement électromagnétique qui se situe entre les micro-ondes et les infrarouges”, explique le professeur David Ritchie, chef du groupe de physique des semi-conducteurs au Cavendish Laboratory de l’université de Cambridge, “mais pour l’instant, on manque de sources et de détecteurs de ce type de rayonnement, qui seraient bon marché, efficaces et faciles à utiliser. Cela entrave l’utilisation généralisée de la technologie térahertz.”
Les chercheurs du groupe de physique des semi-conducteurs, ainsi que des chercheurs de Pise et de Turin en Italie, ont été les premiers à démontrer, en 2002, le fonctionnement d’un laser aux fréquences térahertz, un laser à cascade quantique. Depuis lors, le groupe a poursuivi ses recherches sur la physique et la technologie térahertziennes et étudie et développe actuellement des dispositifs fonctionnels térahertz intégrant des métamatériaux pour former des modulateurs, ainsi que de nouveaux types de détecteurs.
Wladislaw Michailow montrant le dispositif dans la salle blanche et un détecteur térahertz après fabrication. Crédit : Wladislaw Michailow
Si le manque de dispositifs utilisables était résolu, le rayonnement térahertz pourrait avoir de nombreuses applications utiles dans les domaines de la sécurité, de la science des matériaux, des communications et de la médecine. Par exemple, les ondes térahertz permettent de visualiser des tissus cancéreux qui ne pourraient pas être vus à l’œil nu. Elles peuvent être employées dans de nouvelles générations de scanners sûrs et rapides pour les aéroports, qui permettent de distinguer les médicaments des drogues illégales et des explosifs, et elles pourraient être utilisées pour permettre des communications sans fil encore plus rapides que celles de l’état de l’art.
Alors, en quoi consiste cette récente découverte ? “Nous étions en train de mettre au point un nouveau type de détecteur térahertz”, explique le Dr Wladislaw Michailow, chercheur associé au Trinity College de Cambridge, “mais lorsque nous avons mesuré ses performances, il s’est avéré qu’il présentait un signal beaucoup plus fort que celui auquel on aurait pu s’attendre en théorie. Nous avons donc trouvé une nouvelle explication”.
Cette explication, comme le disent les scientifiques, réside dans la façon dont la lumière interagit avec la matière. À haute fréquence, la matière absorbe la lumière sous la forme de particules uniques – les photons. Cette interprétation, proposée pour la première fois par Einstein, a constitué le fondement de la mécanique quantique et a permis d’expliquer l’effet photoélectrique. C’est grâce à cette photoexcitation quantique que la lumière est détectée par les appareils photo de nos smartphones ; c’est également ce qui permet de générer de l’électricité à partir de la lumière dans les cellules solaires.
L’effet photoélectrique bien connu consiste en la libération d’électrons d’un matériau conducteur – un métal ou un semi-conducteur – par des photons incidents. Dans le cas tridimensionnel, les électrons peuvent être expulsés dans le vide par des photons dans le domaine de l’ultraviolet ou des rayons X, ou libérés dans un diélectrique dans le domaine de l’infrarouge moyen à visible. La nouveauté réside dans la découverte d’un processus de photoexcitation quantique dans le domaine des térahertz, similaire à l’effet photoélectrique. “Le fait que de tels effets puissent exister au sein de gaz d’électrons bidimensionnels hautement conducteurs à des fréquences beaucoup plus basses n’a pas été compris jusqu’à présent”, explique Wladislaw, premier auteur de l’étude, “mais nous avons pu le prouver expérimentalement.”La théorie quantitative de l’effet a été élaborée par un collègue de l’université d’Augsbourg, en Allemagne, et l’équipe internationale de chercheurs a récemment publié ses conclusions dans la revue réputée Science Advances.
Les chercheurs ont appelé le phénomène en conséquence, comme un “effet photoélectrique dans le plan”. Dans l’article correspondant, les scientifiques décrivent plusieurs avantages de l’exploitation de cet effet pour la détection du térahertz. En particulier, l’ampleur de la photoréponse générée par le rayonnement térahertz incident par l'”effet photoélectrique dans le plan” est beaucoup plus élevée que celle attendue des autres mécanismes connus jusqu’à présent pour donner lieu à une photoréponse térahertz. Les scientifiques espèrent donc que cet effet permettra de fabriquer des détecteurs térahertz d’une sensibilité nettement supérieure.
“Cela nous rapproche un peu plus de la possibilité de rendre la technologie térahertz utilisable dans le monde réel”, conclut le professeur Ritchie.
Référence : “An in-plane photoelectric effect in two-dimensional electron systems for terahertz detection” par Wladislaw Michailow, Peter Spencer, Nikita W. Almond, Stephen J. Kindness, Robert Wallis, Thomas A. Mitchell, Riccardo Degl’Innocenti, Sergey A. Mikhailov, Harvey E. Beere et David A. Ritchie, 15 avril 2022, Science Advances.
DOI : 10.1126/sciadv.abi8398
Ce travail a été soutenu par les projets EPSRC HyperTerahertz (no. EP/P021859/1) et la subvention no. EP/S019383/1, la Fondation Schiff de l’Université de Cambridge, Trinity College Cambridge, ainsi que le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne Graphene Core 3 (subvention n° 881603).
