Un nouveau détecteur pour les ondes TeraHertz

Une équipe de recherche du laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques (Université Paris Diderot/CNRS) vient de mettre au point un nouveau dispositif rapide pour la détection des ondes TeraHertz, qui sont à la frontière des mondes de l’électronique et de la photonique. Ce capteur, par le moyen de la nanofabrication, combine des concepts d’électromagnétisme et nano-optomécanique. Ces travaux sont publiés dans Nature Communications le 17 novembre 2017.

Alors que la lumière visible joue un rôle prépondérant dans notre vie, elle n'est qu'une partie infime du vaste spectre des ondes électromagnétiques. Dans le dispositif créé par l’équipe de recherche du laboratoire MPQ, les physiciens tentent de connecter les longueurs d'ondes du visible et proche infrarouge avec des ondes TeraHertz, totalement invisibles pour l’œil humain, mais qui ont d’importantes applications.

Par exemple, ces ondes permettent de voir à travers les emballages plastiques, ou encore sont utiles pour l'imagerie médicale, tout en étant  totalement inoffensives pour les organismes vivants, contrairement aux rayons X. Ces ondes se situent dans le spectre électromagnétique entre les ondes radio et le rayonnement thermique. 

Bien connues des scientifiques, les ondes TeraHertz sont pourtant peu explorées en raison de l’absence de sources et de détecteurs « commodes » dans ce domaine, à savoir des dispositifs qui opèrent à température ambiante et suffisamment rapidement. Les seuls dispositifs mis au point à ce jour fonctionnent à température cryogénique et entrainent, de fait, une complexité d’utilisation. En effet, dans le domaine TeraHertz, les deux types de technologies répandues dans la vie de tous les jours, l’électronique et la photonique, deviennent défaillants.

Le dispositif mis au point par l’équipe de recherche est inspiré des circuits électriques résonants que l’on trouve dans les radios ou les téléphones portables, mais réduits ici à des tailles micrométriques. De plus, grâce à un procédé de nano-fabrication mis au point par l’équipe du laboratoire MPQ, une partie du résonateur a été rendue mobile : une poutre de taille nanométrique intégrée au résonateur, devient alors un oscillateur mécanique. Ce micro-récepteur radio, encore appelé "résonateur split-ring",  est ainsi non seulement capable de capturer les ondes TeraHertz, mais aussi de convertir leur énergie en action mécanique sur la nano-poutre.

Cette action mécanique est détectée par un laser visible ou proche infrarouge qui, après avoir été réfléchi par la poutre, est envoyé dans une photodiode balancée. Cette technique est particulièrement sensible et permet de détecter des mouvements infimes, dont l’amplitude avoisine la taille d’un proton. La combinaison entre cette lecture optique ultra-sensible et le récepteur nano-optomécanique a permis de mettre en place le nouveau détecteur pour les ondes TeraHertz. De la taille d’une dizaine de micron, ce capteur est un million de fois plus rapide que le battement du cœur humain et fonctionne à température ambiante. De plus, à part la lecture optique, il ne nécessite aucune source électrique.
 

À ce jour, un prototype est consultable au laboratoire et une demande de brevet a été déposée via la SATT IDF Innov le 16 mars 2016. Rapidement industrialisable et miniaturisable, cette nouvelle technologie pourrait trouver des applications dans les domaines de l’imagerie médicale non destructive, de l’inspection d’objets d’art et des circuits électroniques imprimés, ou encore pour l’observation astronomiques embarquée sur satellite.