es chercheurs ont développé une puce extrêmement fine avec un circuit photonique intégré qui pourrait être utilisée pour exploiter ce que l'on appelle l'écart térahertz – situé entre 0,3 et 30 THz dans le spectre électromagnétique – pour la spectroscopie et l'imagerie.
Cet écart est actuellement une sorte de zone morte technologique, décrivant des fréquences trop rapides pour les appareils électroniques et de télécommunications d'aujourd'hui, mais trop lentes pour les applications d'optique et d'imagerie.
Cependant, la nouvelle puce des scientifiques leur permet désormais de produire des ondes térahertz avec une fréquence, une longueur d'onde, une amplitude et une phase adaptées.Un tel contrôle précis pourrait permettre d'exploiter le rayonnement térahertz pour des applications de nouvelle génération dans les domaines électronique et optique.
Les travaux, menés entre l'EPFL, l'ETH Zurich et l'Université de Harvard, ont été publiés dansCommunication Nature.
Cristina Benea-Chelmus, qui a dirigé la recherche au Laboratoire de photonique hybride (HYLAB) de la Faculté d'ingénierie de l'EPFL, a expliqué que si des ondes térahertz ont déjà été produites en laboratoire, les approches précédentes reposaient principalement sur des cristaux massifs pour générer le bon fréquences.Au lieu de cela, l'utilisation par son laboratoire du circuit photonique, fabriqué à partir de niobate de lithium et finement gravé à l'échelle nanométrique par des collaborateurs de l'Université de Harvard, permet une approche beaucoup plus rationalisée.L'utilisation d'un substrat de silicium rend également le dispositif apte à être intégré dans des systèmes électroniques et optiques.
"Générer des ondes à très hautes fréquences est extrêmement difficile, et il existe très peu de techniques capables de les générer avec des motifs uniques", a-t-elle expliqué."Nous sommes maintenant capables de concevoir la forme temporelle exacte des ondes térahertz - pour dire essentiellement, 'Je veux une forme d'onde qui ressemble à ceci.'"
Pour y parvenir, le laboratoire de Benea-Chelmus a conçu la disposition des canaux de la puce, appelés guides d'ondes, de manière à ce que des antennes microscopiques puissent être utilisées pour diffuser des ondes térahertz générées par la lumière des fibres optiques.
« Le fait que notre appareil utilise déjà un signal optique standard est vraiment un avantage, car cela signifie que ces nouvelles puces peuvent être utilisées avec des lasers traditionnels, qui fonctionnent très bien et sont très bien maîtrisés.Cela signifie que notre appareil est compatible avec les télécommunications », a souligné Benea-Chelmus.Elle a ajouté que les appareils miniaturisés qui envoient et reçoivent des signaux dans la gamme des térahertz pourraient jouer un rôle clé dans les systèmes mobiles de sixième génération (6G).
Dans le monde de l'optique, Benea-Chelmus voit un potentiel particulier pour les puces miniaturisées au niobate de lithium en spectroscopie et en imagerie.En plus d'être non ionisantes, les ondes térahertz sont beaucoup moins énergétiques que de nombreux autres types d'ondes (comme les rayons X) actuellement utilisées pour fournir des informations sur la composition d'un matériau, qu'il s'agisse d'un os ou d'une peinture à l'huile.Un dispositif compact et non destructif comme la puce au niobate de lithium pourrait donc constituer une alternative moins invasive aux techniques spectrographiques actuelles.
« Vous pouvez imaginer envoyer un rayonnement térahertz à travers un matériau qui vous intéresse et l'analyser pour mesurer la réponse du matériau, en fonction de sa structure moléculaire.Tout cela à partir d'un appareil plus petit qu'une tête d'allumette », a-t-elle déclaré.
Ensuite, Benea-Chelmus prévoit de se concentrer sur l'ajustement des propriétés des guides d'ondes et des antennes de la puce pour concevoir des formes d'onde avec de plus grandes amplitudes, et des fréquences et des taux de décroissance plus finement réglés.Elle voit également le potentiel de la technologie térahertz développée dans son laboratoire pour être utile pour les applications quantiques.
« Il y a de nombreuses questions fondamentales à aborder ;par exemple, nous souhaitons savoir si nous pouvons utiliser ces puces pour générer de nouveaux types de rayonnement quantique qui peuvent être manipulés sur des échelles de temps extrêmement courtes.De telles ondes en science quantique peuvent être utilisées pour contrôler des objets quantiques », a-t-elle conclu.
Heure de publication : 14 février 2023