Les ondes térahertz, une énigme sur le point d’être résolue ?

Les ondes térahertz, situées entre les micro-ondes et l’infrarouge dans le spectre électromagnétique, suscitent un intérêt croissant dans la communauté scientifique. Leur potentiel unique ouvre la voie à de nombreuses applications innovantes dans divers domaines. Des chercheurs japonais ont récemment réalisé des avancées significatives dans la génération et la détection de ces ondes, contribuant ainsi à combler le « fossé térahertz ».

Les chercheurs de l’Université du Tohoku ont développé un nouveau type de filtre accordable pour les signaux dans la bande des ondes térahertz. Ce filtre, basé sur un interféromètre de Fabry-Perot, utilise des réseaux finement structurés avec des espaces plus petits que la longueur d’onde des ondes interagissantes. L’étirement variable de ces réseaux permet un contrôle précis de leur indice de réfraction, nécessaire pour accorder l’effet de filtrage de l’interféromètre.

Yoshiaki Kanamori, membre de l’équipe du Tohoku, souligne : «Nous avons construit et démontré un filtre à fréquence accordable pour les ondes térahertz, qui a atteint un taux de transmission plus élevé et une meilleure qualité de signal que les systèmes conventionnels, révélant le potentiel des communications sans fil térahertz.»

Cette méthode offre une solution simple et rentable pour filtrer et contrôler activement les ondes térahertz, ce qui pourrait favoriser leur utilisation dans de nombreuses applications, notamment dans les technologies de balayage et d’imagerie en médecine et dans l’industrie.

Détection ultra-rapide et ultra-sensible des ondes térahertz à température ambiante

Une équipe de recherche dirigée par le professeur associé Akira Satou, de l’Institut de recherche en communication électrique de l’Université du Tohoku (RIEC), et Hiroaki Minamide, du Centre RIKEN pour la photonique avancée, a réussi à détecter les ondes térahertz avec une réponse rapide et une haute sensibilité à température ambiante. Cette avancée a été rendue possible grâce à un nouveau principe permettant l’opération de détection même au sein du dispositif de transistor le plus simple.

L’équipe a utilisé un transistor unipolaire avec du graphène, où seuls les électrons étaient impliqués, et le même type de métaux peut être employé pour toutes les électrodes. Cette réalisation ouvre la voie à l’amélioration des performances des dispositifs et à leur production de masse. Akira Satou et son équipe prévoient de s’appuyer sur cette réussite pour améliorer encore les performances du dispositif.

Détection haute sensibilité des ondes térahertz par des plasmons 2D dans les transistors

Un groupe de recherche a développé un détecteur d’ondes térahertz à haute vitesse et haute sensibilité fonctionnant à température ambiante, ouvrant la voie à des avancées dans le développement de la technologie 6G/7G de nouvelle génération. Cette méthode de détection combine l’effet de rectification non linéaire hydrodynamique vertical traditionnel des plasmons 2D avec l’ajout d’une non-linéarité du courant de diode vertical.

Akira Satou, leader du groupe de recherche et professeur associé au RIEC de l’Université du Tohoku, explique : «Nous avons découvert un effet de rectification plasmonique 3D dans le détecteur d’ondes THz. Le détecteur était basé sur un transistor à haute mobilité électronique en phosphure d’indium et il nous a permis d’améliorer la sensibilité de détection de plus d’un ordre de grandeur par rapport aux détecteurs conventionnels basés sur les plasmons 2D.»

Ce nouveau mécanisme de détection surmonte la plupart des goulots d’étranglement des détecteurs d’ondes térahertz conventionnels.

Génération d’ondes térahertz intenses avec un matériau magnétique

Des chercheurs de l’Institut avancé pour la recherche sur les matériaux (WPI-AIMR) et de l’École supérieure d’ingénieurs de l’Université du Tohoku ont découvert un nouveau matériau magnétique qui génère des ondes térahertz à une intensité environ quatre fois supérieure à celle des matériaux magnétiques typiques. Cette technologie devrait être utilisée dans divers domaines industriels, notamment l’imagerie, le diagnostic médical, l’inspection de sécurité et la biotechnologie.

L’équipe de recherche a préparé et étudié des échantillons de films minces monocristallins d’un aimant de Weyl fait d’un alliage de Heusler cobalt-manganèse-gallium dans diverses conditions. Il a été constaté que l’effet Hall anormal géant provenant de la structure électronique topologique unique aux aimants de Weyl améliorait les ondes térahertz photo-induites.

Bien que l’intensité des ondes térahertz générées soit encore inférieure à celle des émetteurs térahertz à excitation de spin développés à ce jour, la structure est plus simple et ne nécessite plus de métaux lourds coûteux comme le platine.

Article : « Topologically influenced terahertz emission in Co₂MnGa with large anomalous Hall effect » – Auteurs : Ruma Mandal, Ren Momma, Kazuaki Ishibashi, Satoshi Iihama, Kazuya Suzuki, and Shigemi Mizukami / Journal: NPG Asia Materials/ DOI: https://doi.org/10.1038/s41427-024-00545-9