Ils ont réussi à contrôler les ondes TeraHertz -> applications en imagerie et télécommunications

Les ondes TeraHertz apprivoisées ?

Le spectre des ondes utilisées pour communiquer est presque saturé, les exigences sécuritaires poussent vers des systèmes de visualisation à travers les bagages toujours plus sélectifs, la recherche en biosciences, en chimie et en la médecine est à la recherche d’imageries toujours plus discriminantes – notamment des énantiomères. Une équipe de chercheurs internationale – de l’ UniGE, de l’ETHZ et deux groupes espagnols – à réussi à contrôler des ondes TéraHertz : des ondes électromagnétiques qui se situent entre le rayonnement infrarouge et les ondes GigaHertz (utilisées par exemple pour les connexions wifi).

lls chercheurs publient dans  (Nature Communications (2017) ici) avec  Jean-Marie Poumirol, chercheur à l’UNIGE comme premier auteur de l’étude – les résultats d’une recherche : ils ont produit un transistor à base de graphène fonctionnant dans les TeraHertz : il permet de contrôler avec précision certaines caractéristiques de ces ondes ouvrant la voie à de nombreux champs d’applications à court terme.


Fig 1: un dispositif basé sur du graphène permet de contrôler la polarisation des ondes THz  (on sent la discrétion est liée aux enjeux financiers de cette découverte) !  [img]. Source : Poumirol, et al  (2017)©UNIGE
Ces derniers temps, de nombreuses percées en physique promettent des applications rapides dans les télécommunications.  Par exemple les travaux de l’équipe du prof Nicolas Gisin à l’université de Genève  dans le domaine des communications quantiques : Téléportation quantique à des fréquences télécom sur plus de 25 kilomètres !

Ces travaux sur le transistor Térahertz – à lire dans la revue Nature Communications (Poumirol, et al  (2017) ici), publiés hier le 7 mars -  commencent déjà à faire le buzz sur le web des scientifiques et des télécommunications ! C’est sans doute une recherche décisive.qui mérite l’attention des abonnés à Expériment@l-Tremplins; Voici quelques lignes pour vous donner envie et … le lien qui servira de tremplin vers l’article pour ceux qui veulent vraiment comprendre – Expériment@l ne s’adresse pas au même public que 20Minutes ou Gala !

Dans le cadre du projet européen Graphene Flagship, ces scientifiques ont ainsi créé un transistor à base de graphène adapté pour les ondes TeraHertz. « En combinant le champ électrique, qui permet de contrôler le nombre d’électrons du graphène et donc de laisser passer plus ou moins de lumière, et le champ magnétique qui courbe les orbites électroniques, nous avons été en mesure de contrôler non seulement l’intensité des ondes terahertz que nous voulions laisser passer, mais aussi leur polarisation. Il est rare que des effets purement électriques soient utilisés dans le contrôle de phénomènes magnétiques », développe Jean-Marie Poumirol, chercheur à l’UNIGE et premier auteur de l’étude. Ainsi, les scientifiques sont dorénavant en mesure d’effectuer ce contrôle sur toute la gamme de fréquences des TeraHertz.

Les applications pratiques des rayonnements TeraHertz

Les ondes TeraHertz permettent de détecter des matériaux inaccessibles avec d’autres fréquences, mais sans dispositif pour les contrôler, les usages étaient très limités.  Le transistor révélé dans cette publication permet un contrôle potentiellement très rapide de l’intensité et de la polarité des rayons TeraHertz, et permet d’envisager des applications pratiques, tant au niveau de l’imagerie que de celui de la communication.

Le graphène est une couche monoatomique d’atomes de carbone qui forment un réseau en nid d’abeille et que l’on trouve en particulier dans le graphite, la matière qui constitue les mines de crayon. L’équipe d’Alexey Kuzmenko, du Département de physique de la matière quantique (DPMQ) de la Faculté des sciences de l’UNIGE, travaille depuis plusieurs années sur ses propriétés physiques. « L’interaction entre la lumière terahertz et les électrons du graphène est très forte et nous avons donc supposé qu’il devait être possible d’utiliser le graphène pour contrôler les ondes TeraHertz », explique le chercheur.

Moduler l’intensité, tuner la fréquence, et inverser le  dichroïsme magnétique circulaire et la rotation de Faraday ?

Leur « dispositif basé sur le graphène »  - on sent qu’ils sont discrets sur les détails  vu les enjeux financiers énormespermet de moduler l’intensité, tuner la fréquence, et inverser le  dichroïsme magnétique circulaire et la rotation de Faraday ?

« The magnetic circular dichroism and the Faraday rotation are the fundamental phenomena of great practical importance arising from the breaking of the time reversal symmetry by a magnetic field. In most materials, the strength and the sign of these effects can be only controlled by the field value and its orientation. Furthermore, the terahertz range is lacking materials having the ability to affect the polarization state of the light in a non-reciprocal manner. Here we demonstrate, using broadband terahertz magneto-electro-optical spectroscopy, that in graphene both the magnetic circular dichroism and the Faraday rotation can be modulated in intensity, tuned in frequency and, importantly, inverted using only electrostatic doping at a fixed magnetic field. In addition, we observe strong magneto-plasmonic resonances in a patterned array of graphene antidots, which potentially allows exploiting these magneto-optical phenomena in a broad THz range. » ( Poumirol, et al  (2017) ici),


Figure 2

Figure 2 (a) Schematic representation of a terahertz g-FET device and the optical experiment. (b) Two-terminal source-drain resistance at B=0, 3 and 7 T as a function of the gate-induced doping. (c) Extinction spectra at B=0 T for various doping levels and polarities. The open circles represent the best Drude fit for n=−7.9 × 1012 cm−2. (d) Doping dependence of the Drude weight relative to the CNP (black symbols) and the scattering rate (red symbols). The black line is the theoretical prediction for Drude weight of Dirac fermions for vF=106 m s−1. The red line is the guide to the eye. (e) The extinction (for the LH circular polarization) at n=−7.9 × 1012 cm−2 for different values of magnetic field from 0 to 7 T with the step of 1 T. The open circles represent the best Drude fits at 4 and 7 T. The inset presents the field dependence of the CR frequency (circles) and the linear fit (dashed line). (f) The extinction spectra at 7 T as a function of doping. The colour legend is the same as in c. The spectra are shown for the LH/RH circular polarizations for the p-/n-doped regimes respectively, that is, for polarizations exhibiting the cyclotron resonance. The inset presents the doping dependence of the experimental cyclotron frequency (circles) and a fit using a Dirac-fermion model as described in the text (dashed lines). All measurements are done at T=250 K.  ( Poumirol, et al  (2017)

Les applications pratiques des rayonnements TeraHertz

Aujourd’hui, les chercheurs de l’UNIGE travaillent sur les applications pratiques de leur prototype et des nouvelles possibilités qu’il offre pour le contrôle des ondes terahertz. Ils ont pour projet de le rendre industriellement compétitif dans les quelques années à venir. Cette innovation couvre deux champs d’applications principaux. Le premier concerne la communication. « Grâce à notre plaque de graphène associée aux ondes terahertz, il nous serait possible d’envoyer des informations qui permettent une communication 10 à 100 fois plus rapide que le wifi ou les ondes radio, tout en assurant une transmission sécurisée, pour autant que cela soit sur une courte distance», précise Jean-Marie Poumirol. Un avantage indéniable pour la télécommunication. Le second domaine d’applications concerne l’imagerie. N’étant pas ionisantes, les ondes TeraHertz n’altèrent pas l’ADN, un atout pour la médecine, la biologie et la pharmacie. Le contrôle ultrarapide de la polarisation circulaire des ondes terahertz permettra notamment de distinguer les molécules biologiques ayant une symétrie différente (gauche et droite), propriété très importante pour les applications médicales. Elles sont également potentiellement très utiles pour la sécurité intérieure: « Les ondes TeraHertz sont arrêtées par le métal et sont sensibles au plastique et aux matières organiques. Grâce à elles, il est donc possible de détecter de manière beaucoup plus efficace les armes, les drogues et les explosifs que pourraient transporter une personne, ce qui serait idéal dans les contrôles des aéroports », conclut Alexey Kuzmenko du DPMQ à l’UNIGE,

Savourez l’article original :-)

Références

  • Poumirol, J.-M., Liu, P. Q., Slipchenko, T. M., Nikitin, A. Y., Martin-Moreno, L., Faist, J., & Kuzmenko, A. B. (2017). Electrically controlled terahertz magneto-optical phenomena in continuous and patterned graphene. Nature Communications, 8, 14626. https://doi.org/10.1038/ncomms14626
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