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Le laser térahertz démocratisé : une première pleine de promesses

ActualitéClassé sous :technologie , laser à cascade quantique , laser QC

La nouvelle pourrait sembler anecdotique : on sait maintenant fabriquer un laser dans le domaine dit du térahertz fonctionnant à température ambiante et d'un coût de fabrication très faible. Mais le scoop est pourtant extraordinaire et intéresse, excusez du peu, la médecine, l'informatique, la chimie, l'astronomie, la météorologie sans oublier la police et les militaires.

Le rayonnement du laser à 10 THz (partie métallique) parvient sur la demi-sphère en silicium (de 2 mm), qui émet à 5 THz (60 microns). © Capasso Lab, Harvard School of Engineering and Applied Sciences

Dans le spectre des ondes électromagnétiques, le domaine du térahertz s'étend entre 300 GHz (gigahertz) et quelques milliers de GHz (soit quelques térahertz), c'est-à-dire entre l'infrarouge et les micro-ondes. Ces rayons T, comme on les appelle souvent (on parle aussi d'infrarouge lointain), possèdent des propriétés étonnantes, exploitables dans de multiples domaines. Non ionisants, ils sont donc inoffensifs pour les êtres vivants (comme les infrarouges voisins) mais ils présentent un puissant pouvoir pénétrant (comme les micro-ondes), capable de leur faire traverser des matériaux fins, comme les vêtements, la peau, le plastique, etc.

En médecine et en chimie, les rayons T sont de bons outils pour caractériser les composants d'un matériau solide ou d'une solution. En astronomie, des capteurs dans cette gamme de longueur d'ondes complèteraient les données de l'infrarouge. En météorologie, un laser térahertz ferait une excellente sonde atmosphérique. Les spécialistes de la sécurité aimeraient, eux, s'en servir pour distinguer les armes cachées plus facilement qu'avec les méthodes actuelles. La fréquence élevée et les caractéristiques de propagation pourraient être utilisées pour les liaisons sans fil à très haut débit. Certains imaginent même réaliser des ordinateurs à rayons T, où les photons remplaceraient les électrons...

Bref, les applications ne manquent pas mais elles ne sont que potentielles car on a beaucoup de mal à émettre et à capter cette gamme d'ondes. Les lasers térahertz existent mais ils ne fonctionnent qu'à très basses températures, exigeant un refroidissement à l'azote liquide.

C'est pourquoi l'annonce d'un laser térahertz émettant à température ambiante, gros comme un ongle et d'un coût de fabrication minime apparaît comme une nouvelle extraordinaire et riche de conséquences. Elle vient d'être faite par un laboratoire de l'université de Harvard (Harvard School of Engineering and Applied Sciences), dirigé par Federico Capasso.

La technique utilisée est celle du laser à cascade quantique, ou laser QC, qui diffère complètement de la classique méthode utilisant une diode semiconductrice. Un laser QC est constitué de couches ultra-minces d'un matériau conducteur. Au sein des électrons qui y circulent, les niveaux d'énergies possibles sont alors restreints. C'est ce que l'on appelle le confinement quantique. Les particules peuvent toutefois sauter d'un état à l'autre (par effet tunnel) en émettant des photons. La longueur d'onde ainsi émise dépend de l'épaisseur des couches. L'intérêt de ce principe est que l'on peut ainsi atteindre des petites longueurs d'onde et produire un rayonnement dans le domaine infrarouge voire dans l'infrarouge lointain. Le choix de cette technique dans ce laboratoire est logique : Federico Capasso a participé à la première mise au point d'un laser à cascade quantique en 1994 lorsqu'il travaillait au laboratoire Bell. Ces lasers QC ont été commercialisés à partir de 2004 et servent à des analyses chimiques en médecine et pour détecter des polluants.

Bientôt dans le commerce...

En l'état, un laser QC ne produit des fréquences de l'ordre du térahertz qu'à des températures très basses car la chaleur, donc l'agitation moléculaire, limite la longueur d'onde que l'on peut obtenir. Pour contourner l'obstacle, Federico Capasso et ses collègues ont fait appel à un phénomène connu, consistant à mélanger deux faisceaux de longueurs d'onde différentes pour obtenir l'émission d'un rayonnement térahertz. Issu de ce que l'on appelle l'optique non linéaire, cette technique donne de bons résultats et utilise des cristaux particuliers, qualifiés, justement, de non linéaires. Mais ces instruments exigent un volume de plusieurs mètres cubes.

En créant l'équivalent d'un cristal non linéaire à l'intérieur d'un semiconducteur, les scientifiques de Harvard sont parvenus à miniaturiser l'instrument dans d'énormes proportions.

Fabriqué avec les techniques habituelles de la microélectronique, il peut donc être réalisé à faible coût. Bon marché, portable et fonctionnant à température ambiante : les trois freins au laser térahertz viennent d'être levés en une seule fois ! Nul doute que les premiers modèles ne tarderont pas à garnir les catalogues d'instruments scientifiques...

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