Des chercheurs ont découvert dans les systèmes conducteurs bidimensionnels un nouvel effet qui promet des performances améliorées des détecteurs térahertz.
Une équipe de scientifiques du laboratoire Cavendish, 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.
Tout d’abord, que sont les ondes térahertz ? « Nous communiquons à l’aide de téléphones portables qui transmettent des rayonnements 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 le rayonnement infrarouge », explique le professeur David Ritchie, chef du groupe de physique des semi-conducteurs au Cavendish Laboratory de l’Université de Cambridge, « mais pour le moment, il y a un 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. »
Des chercheurs du groupe de physique des semi-conducteurs, associés à des chercheurs de Pise et de Turin en Italie, ont été les premiers à démontrer, en 2002, le fonctionnement d’un laser à des fréquences térahertz, un laser à cascade quantique. Depuis lors, le groupe a poursuivi ses recherches sur la physique et la technologie térahertz et étudie et développe actuellement des dispositifs térahertz fonctionnels incorporant des métamatériaux pour former des modulateurs, ainsi que de nouveaux types de détecteurs.
Si le manque d’appareils 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 l’imagerie de tissus cancéreux qui ne pourraient pas être vus à l’œil nu. Ils peuvent être utilisés dans les nouvelles générations de scanners d’aéroport sûrs et rapides qui permettent de distinguer les médicaments des drogues illégales et des explosifs, et ils pourraient être utilisés pour permettre des communications sans fil encore plus rapides au-delà de l’état de l’art.
Alors, de quoi parle la récente découverte ? « Nous étions en train de développer un nouveau type de détecteur térahertz », explique le Dr Wladislaw Michailow, chercheur junior au Trinity College de Cambridge, « mais lors de la mesure de ses performances, il s’est avéré qu’il montrait un signal beaucoup plus fort que ce à quoi on devrait théoriquement s’attendre. Donc nous avons trouvé une nouvelle explication. »
Cette explication, comme le disent les scientifiques, réside dans la façon dont la lumière interagit avec la matière. Aux hautes fréquences, la matière absorbe la lumière sous la forme de particules uniques, les photons. Cette interprétation, d’abord proposée par Einstein, a constitué le fondement de la mécanique quantique et a expliqué l’effet photoélectrique. Cette photoexcitation quantique est la façon dont la lumière est détectée par les caméras de nos smartphones ; c’est aussi ce qui génère 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 la gamme des ultraviolets ou des rayons X, ou libérés dans un diélectrique dans la gamme de l’infrarouge moyen au visible. La nouveauté réside dans la découverte d’un processus de photoexcitation quantique dans la gamme des térahertz, similaire à l’effet photoélectrique. « Le fait que de tels effets puissent exister dans des 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 développée par un collègue de l’Université d’Augsbourg, en Allemagne, et l’équipe internationale de chercheurs a publié ses conclusions dans la revue Avancées scientifiques.
Les chercheurs ont nommé le phénomène en conséquence, un « effet photoélectrique dans le plan ». Dans l’article correspondant, les scientifiques décrivent plusieurs avantages de l’exploitation de cet effet pour la détection térahertz. En particulier, l’amplitude de la photoréponse qui est générée par le rayonnement térahertz incident par « l’effet photoélectrique dans le plan » est beaucoup plus élevée que celle attendue d’autres mécanismes connus jusqu’à présent pour donner lieu à une photoréponse térahertz. Ainsi, les scientifiques s’attendent à ce que cet effet permette la fabrication de détecteurs térahertz avec une sensibilité nettement plus élevée.
« Cela nous rapproche un peu plus de l’utilisation de la technologie térahertz dans le monde réel », conclut le professeur Ritchie.
Wladislaw Michailow et al, Un effet photoélectrique dans le plan dans les systèmes d’électrons bidimensionnels pour la détection térahertz, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abi8398