Un contrôle des ondes térahertz pour améliorer la technologie sans fil et biomédicale

Les ondes térahertz (THz) se situent entre les micro-ondes et la lumière infrarouge dans le spectre électromagnétique. Elles peuvent traverser de nombreux matériaux sans les endommager, ce qui les rend utiles pour les scanners de sécurité, l’imagerie médicale et les communications sans fil à haut débit. Contrairement à la lumière visible ou aux ondes radio, les ondes THz peuvent révéler les détails structurels des molécules biologiques et pénétrer des objets non métalliques comme les vêtements et le papier.

Les ondes THz sont très prometteuses, mais pour les exploiter efficacement, il faut contrôler leur polarisation (la direction dans laquelle les ondes vibrent). Le contrôle de la polarisation est essentiel pour optimiser les applications THz, qu’il s’agisse d’améliorer la transmission de données, l’imagerie ou la détection. Malheureusement, les méthodes existantes de contrôle de la polarisation THz reposent sur des composants externes encombrants tels que des plaques d’ondes ou des métamatériaux. Ces solutions sont souvent inefficaces, limitées à des plages de fréquences étroites et inadaptées aux dispositifs compacts. Pour surmonter ces limitations, les chercheurs ont exploré des approches permettant de contrôler la polarisation THz directement à la source.

Comme indiqué dans Advanced Photonics, des chercheurs de l’université de Beihang, en Chine, ont récemment mis au point un émetteur THz spintronique doté d’un motif de bandes à micro-échelle qui permet de moduler la chiralité pendant la génération d’ondes THz. Contrairement aux sources THz traditionnelles qui reposent sur des composants optiques externes, cet émetteur intègre l’accord de polarisation directement dans sa conception, ce qui simplifie la technologie et améliore ses capacités.

L’émetteur est constitué de couches minces de tungstène, de cobalt-fer-bore et de platine. Lorsqu’il est exposé à des impulsions laser ultrarapides, le matériau génère un courant de spin, qui est converti en charge électrique par l’effet Hall de spin inverse. Le motif de bandes à micro-échelle de l’émetteur modifie la distribution de la charge, formant un champ électrique intégré qui influence l’amplitude et la phase des ondes THz émises. En concevant différentes dispositions de bandes, les chercheurs ont obtenu un réglage précis de la polarisation sans composants optiques externes.

La simple rotation de l’émetteur permet une commutation souple et efficace entre les états de polarisation linéaire, elliptique et circulaire. Le dispositif maintient une polarisation circulaire de haute qualité avec une ellipticité supérieure à 0,85 sur une large gamme de fréquences de 0,74 à 1,66 THz, ce qui démontre son efficacité dans le contrôle de la polarisation à large bande.

Pour valider l’efficacité de leur émetteur à motifs, l’équipe de recherche a fabriqué et testé sept modèles différents, chacun avec un rapport d’aspect de bande unique. En utilisant la spectroscopie THz dans le domaine temporel, ils ont mesuré l’impact des différents motifs sur la polarisation THz émise. Les résultats ont confirmé que des rapports d’aspect de bandes plus importants produisaient des champs électriques intégrés plus puissants, ce qui permettait de mieux contrôler la polarisation. Les configurations d’émetteurs avec un grand rapport d’aspect ont généré avec succès des ondes THz avec une polarisation accordable, et en ajustant les angles d’azimut du motif de la bande, les chercheurs ont obtenu une commutation précise entre la polarisation circulaire gauche et droite. Ce niveau de contrôle intégré dans un seul dispositif représente une avancée significative par rapport aux sources THz traditionnelles.

Cette innovation promet de révolutionner des domaines allant de la communication sans fil, où elle peut doubler les taux de transmission de données grâce au multiplexage de la polarisation, à l’imagerie biomédicale, où elle peut permettre un diagnostic plus précoce des maladies grâce à une détection plus précise des biomolécules. En outre, l’amélioration de la sensibilité des mesures permise par cette technologie pourrait conduire à des percées dans la recherche fondamentale dans des domaines tels que l’optique quantique et la détection de précision.

La conception compacte et efficace de cet émetteur spintronique convient parfaitement à l’intégration sur puce, une étape cruciale vers la réalisation de dispositifs THz évolutifs et rentables pour des applications réelles. Les recherches futures se concentreront sur l’affinement du contrôle sélectif de la fréquence de l’émetteur, ce qui ouvrira d’autres possibilités pour les systèmes photoniques et sans fil avancés.

Cette percée représente un grand pas en avant pour la technologie THz, rapprochant de la réalité le potentiel de transformation de cette région sous-utilisée du spectre électromagnétique.

Article : « Broadband polarization spectrum tuning enabled by the built-in electric field of patterned spintronic terahertz emitters » – DOI : 10.1117/1.AP.7.2.026007

Légende illustration : Schéma de la génération et du contrôle des ondes térahertz chirales : Un laser femtoseconde interagit avec un émetteur spintronique à motifs, produisant des ondes térahertz polarisées elliptiquement ou circulairement. La rotation de l’émetteur ajuste la polarisation, tandis que les champs électriques intégrés, formés par l’accumulation de charges sur les bords du motif, contrôlent les différences d’amplitude et de phase. Crédit : Q. Yang et al., 10.1117/1.AP.7.2.026007.

Source : SPIE