Jennifer Chu
On peut en apprendre beaucoup sur un matériau selon le type de lumière qu’on lui envoie : la lumière optique éclaire sa surface, les rayons X révèlent sa structure interne et l’infrarouge capte sa chaleur rayonnante.
Désormais, des physiciens du MIT ont utilisé la lumière térahertz pour révéler les vibrations quantiques intrinsèques d’un matériau supraconducteur, restées invisibles jusqu’à présent.
La lumière térahertz est une forme d’énergie située entre les micro-ondes et les infrarouges sur le spectre électromagnétique. Elle oscille plus de mille milliards de fois par seconde — exactement à la fréquence à laquelle les atomes et les électrons vibrent naturellement au sein des matériaux. Idéalement, cela fait du térahertz l’outil parfait pour sonder ces mouvements.
Mais si la fréquence est adéquate, la longueur d’onde — la distance sur laquelle l’onde se répète dans l’espace — ne l’est pas. Les ondes térahertz ont des longueurs d’onde de centaines de microns. Parce que la plus petite tache sur laquelle un type de lumière peut être focalisé est limitée par sa longueur d’onde, les faisceaux térahertz ne peuvent pas être fortement confinés. En conséquence, un faisceau térahertz focalisé est physiquement trop large pour interagir efficacement avec des échantillons microscopiques, passant simplement sur ces structures minuscules sans en révéler les détails fins.
Dans un article publié dans la revue Nature, les scientifiques rapportent avoir développé un nouveau microscope térahertz qui comprime la lumière térahertz jusqu’à des dimensions microscopiques. Ce point lumineux térahertz peut résoudre des détails quantiques dans les matériaux jusqu’alors inaccessibles.
L’équipe a utilisé ce nouveau microscope pour envoyer de la lumière térahertz dans un échantillon de bismuth strontium calcium cuivre oxyde, ou BSCCO (prononcé « BIS-co ») — un matériau qui supraconduit à des températures relativement élevées. Grâce au microscope térahertz, l’équipe a observé un « superfluide » sans friction d’électrons supraconducteurs qui oscillaient collectivement d’avant en arrière à des fréquences térahertz au sein du matériau BSCCO.
Ce nouveau microscope nous permet désormais de voir un nouveau mode d’électrons supraconducteurs que personne n’avait jamais observé auparavant, souligne Nuh Gedik, professeur Donner de physique au MIT.
En utilisant la lumière térahertz pour sonder le BSCCO et d’autres supraconducteurs, les scientifiques peuvent mieux comprendre les propriétés qui pourraient conduire aux supraconducteurs à température ambiante, tant convoités. Le nouveau microscope peut aussi aider à identifier les matériaux qui émettent et reçoivent un rayonnement térahertz. De tels matériaux pourraient constituer la base des futures communications sans fil térahertz, susceptibles de transmettre davantage de données à des vitesses plus rapides que les communications actuelles basées sur les micro-ondes.
Il y a une énorme poussée pour faire passer le Wi-Fi ou les télécommunications au niveau supérieur, vers les fréquences térahertz, explique Alexander von Hoegen, postdoctorant au Laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT et auteur principal de l’étude. Si vous avez un microscope térahertz, vous pourriez étudier comment la lumière térahertz interagit avec des dispositifs microscopiques qui pourraient servir de futures antennes ou récepteurs.
Outre Gedik et von Hoegen, les coauteurs du MIT de l’étude incluent Tommy Tai, Clifford Allington, Matthew Yeung, Jacob Pettine, Alexander Kossak, Byunghun Lee et Geoffrey Beach, ainsi que des collaborateurs de l’Université Harvard, de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière, de l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes et du Laboratoire national de Brookhaven.
Franchir une limite
La lumière térahertz est un outil d’imagerie prometteur mais encore largement inexploité. Elle occupe une « fenêtre spectrale » unique : comme les micro-ondes, les ondes radio et la lumière visible, le rayonnement térahertz est non ionisant et ne transporte donc pas assez d’énergie pour provoquer des effets de rayonnement nocifs, ce qui le rend sûr pour une utilisation sur les humains et les tissus biologiques. En même temps, à l’instar des rayons X, les ondes térahertz peuvent pénétrer une large gamme de matériaux, y compris le tissu, le bois, le carton, le plastique, la céramique et même de minces murs en briques.
En raison de ces propriétés distinctives, la lumière térahertz est activement explorée pour des applications dans le contrôle de sécurité, l’imagerie médicale et les communications sans fil. En revanche, beaucoup moins d’efforts ont été consacrés à l’application du rayonnement térahertz à la microscopie et à l’éclairage de phénomènes microscopiques. La raison principale est une limitation fondamentale partagée par toutes les formes de lumière : la limite de diffraction, qui restreint la résolution spatiale à environ la longueur d’onde du rayonnement utilisé.
Avec des longueurs d’onde de l’ordre de centaines de microns, le rayonnement térahertz est bien plus grand que les atomes, les molécules et de nombreuses autres structures microscopiques. Par conséquent, sa capacité à résoudre directement des caractéristiques à l’échelle microscopique est fondamentalement limitée.
Notre motivation principale est ce problème : vous pourriez avoir un échantillon de 10 microns, mais votre lumière térahertz a une longueur d’onde de 100 microns, donc vous mesureriez principalement l’air, ou le vide autour de votre échantillon, précise von Hoegen. Vous passeriez à côté de toutes ces phases quantiques qui ont des signatures caractéristiques dans le régime térahertz.
Zoom avant
L’équipe a trouvé un moyen de contourner la limite de diffraction du térahertz en utilisant des émetteurs spintroniques — une technologie récente qui produit des impulsions brèves de lumière térahertz. Les émetteurs spintroniques sont constitués de multiples couches métalliques ultra-minces. Lorsqu’un laser illumine la structure multicouche, la lumière déclenche une cascade d’effets sur les électrons dans chaque couche, de sorte que la structure finit par émettre une impulsion d’énergie à des fréquences térahertz.
En plaçant un échantillon très près de l’émetteur, l’équipe a piégé la lumière térahertz avant qu’elle ne puisse s’étendre, la comprimant essentiellement dans un espace bien plus petit que sa longueur d’onde. Dans ce régime, la lumière peut contourner la limite de diffraction pour résoudre des caractéristiques auparavant trop petites pour être vues.
L’équipe du MIT a adapté cette technologie pour observer des phénomènes microscopiques à l’échelle quantique. Pour leur nouvelle étude, l’équipe a développé un microscope térahertz utilisant des émetteurs spintroniques interfacés avec un miroir de Bragg. Cette structure multicouche de films réfléchissants filtre successivement certaines longueurs d’onde indésirables tout en laissant passer d’autres, protégeant l’échantillon du laser « nocif » qui déclenche l’émission térahertz.
À titre de démonstration, l’équipe a utilisé le nouveau microscope pour imager un petit échantillon atomiquement mince de BSCCO. Ils ont placé l’échantillon très près de la source térahertz et l’ont imagé à des températures proches du zéro absolu — assez froides pour que le matériau devienne supraconducteur. Pour créer l’image, ils ont balayé le faisceau laser, envoyant de la lumière térahertz à travers l’échantillon et recherchant les signatures spécifiques laissées par les électrons supraconducteurs.
Nous voyons que le champ térahertz est fortement déformé, avec de petites oscillations suivant l’impulsion principale, indique von Hoegen. Cela nous dit que quelque chose dans l’échantillon émet de la lumière térahertz, après avoir été excité par notre impulsion térahertz initiale.
Après analyse approfondie, l’équipe a conclu que le microscope térahertz observait les oscillations térahertz naturelles et collectives des électrons supraconducteurs au sein du matériau.
C’est cette sorte de gel supraconducteur que nous voyons en quelque sorte osciller, affirme von Hoegen.
Ce superfluide oscillant était attendu, mais n’avait jamais été visualisé directement jusqu’à présent. L’équipe applique désormais le microscope à d’autres matériaux bidimensionnels, où elle espère capturer davantage de phénomènes térahertz.
Il existe de nombreuses excitations fondamentales, comme les vibrations du réseau et les processus magnétiques, ainsi que tous ces modes collectifs qui se produisent aux fréquences térahertz, explique von Hoegen. Nous pouvons maintenant zoomer de manière résonante sur ces phénomènes physiques fascinants avec notre microscope térahertz.
Article : “Imaging a terahertz superfluid plasmon in a two-dimensional superconductor” – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude
Source : MIT
