Avec un dispositif de rotation de lumière inspiré de l'art japonais du papier découpé, Des chercheurs de l'Université du Michigan ont détecté des torsions microscopiques dans la structure interne des tissus végétaux et animaux sans rayons X nocifs.

L'approche est la première qui peut faire tourner complètement le rayonnement térahertz en temps réel, et il pourrait ouvrir de nouvelles dimensions en imagerie médicale, communications cryptées et cosmologie. Les chercheurs s'intéressent surtout à l'utilisation des rayons térahertz pour identifier les tissus biologiques à travers les torsions de leurs structures – leur « chiralité ». La chiralité d'un tissu affecte la quantité d'absorption du rayonnement tordu.

Le rayonnement térahertz est la bande d'ondes électromagnétiques qui va du rayonnement infrarouge jusqu'à la portée des « scanners millimétriques » qui scrutent vos vêtements dans les aéroports. Il peut voyager environ un quart de pouce dans le corps, mais contrairement aux rayons X, il est non ionisant, ce qui signifie qu'il ne libère pas de charges électriques potentiellement dommageables dans le corps.

"Nos corps ont beaucoup de structures tordues qui sont suffisamment proches de la surface pour que les photons térahertz pénètrent :des vaisseaux, ligaments, fibre musculaire, molécules et même certaines bactéries hélicoïdales, " a déclaré Nicolas Kotov, le professeur d'ingénierie Joseph B. et Florence V. Cejka et un auteur correspondant sur l'étude en Matériaux naturels .

Il pense qu'il peut être possible d'obtenir des informations médicales pertinentes sur les comportements de travail de ces tissus en utilisant l'imagerie térahertz. Cependant, comme pour les rayons X, il est difficile de faire la différence entre les tissus mous dans les scans térahertz.

Dans le but d'explorer comment la chiralité peut aider à distinguer les tissus, l'équipe a rassemblé des matériaux biologiques de tous les jours pour rechercher des différences dans l'absorption du rayonnement tournant dans le sens horaire ou antihoraire dans le spectre térahertz. Ils ont étudié une feuille d'érable, une fleur de pissenlit, la graisse de porc et l'aile d'un scarabée irisé. Alors que la feuille et la graisse n'ont montré aucune différence dans l'absorption du rayonnement dans le sens horaire ou antihoraire, la fleur et l'aile ont absorbé préférentiellement l'une par rapport à l'autre, révélant des torsions microscopiques dans leurs structures.

Cette technique, appelée spectroscopie de dichroïsme circulaire, était impraticable dans la gamme térahertz jusqu'à présent. D'autres parties du spectre électromagnétique, comme la lumière visible, peut être torsadé avec des cristaux naturels, mais la puissance de torsion était limitée pour le rayonnement térahertz ou bien cela ne pouvait pas être fait en temps réel.

Le nouvel appareil est d'une simplicité trompeuse - essentiellement un ruban en plastique, imprimé avec un motif à chevrons doré et tranché avec des rangées décalées de minuscules coupes. Les incisions sont influencées par l'art japonais du kirigami, qui utilise des arrangements de coupes pour créer des structures 3D à partir de papier.

Lorsque le ruban est tendu, les coupures s'ouvrent et les tranches de ruban se tordent. Les lignes d'or guident alors le rayonnement, le tordant à son tour. En rayonnement, la torsion est appelée « polarisation circulaire, " qui est le même phénomène optique que celui utilisé dans les écrans à cristaux liquides (LCD).

"Nous avons tous pu avoir l'expérience de jouer avec l'artisanat du papier quand nous étions jeunes, mais il n'y avait pas de règles de conception pour les dispositifs optiques chiraux 3D construits en utilisant uniquement le pliage et la découpe. Donc, nous sommes partis de zéro et avons testé de nombreux modèles à travers des simulations et des expériences, " dit Wonjin Choi, un doctorat étudiant en science et ingénierie des matériaux et co-premier auteur de l'étude.

L'équipe propose que la même conception pourrait également être adaptée à d'autres types de rayonnement, avec des motifs plus grands interagissant avec des micro-ondes ou des ondes radio, ou réduire le motif pour manipuler la lumière infrarouge.

Parce que la lumière térahertz tournante n'a pas été largement étudiée, l'un des défis de l'équipe consistait à déterminer comment voir si le dispositif kirigami fonctionnait.

"Les méthodes conventionnelles de mesure du rayonnement térahertz sont limitées à la quantité d'énergie perdue lorsqu'elle traverse un échantillon, ce qui ne suffit pas pour notre cas, " a déclaré Gong Cheng, un doctorat étudiant en physique à l'U-M et co-premier auteur.

En empilant des polariseurs linéaires, tournés l'un par rapport à l'autre, dans la trajectoire du faisceau, ils pourraient faire des mesures pour révéler la polarisation circulaire.

En plus de l'imagerie des tissus vivants, la spectroscopie de dichroïsme circulaire térahertz pourrait également aider au développement de nouveaux médicaments basés sur de grandes molécules biologiques telles que des protéines et des anticorps.

Choi prévoit qu'une première application pourrait consister à crypter et décrypter les communications sur le spectre térahertz. Et si ces appareils kirigami étaient embarqués sur des satellites pour mesurer la torsion du spectre térahertz du rayonnement de fond de l'univers, cela pourrait nous en dire plus sur les premières étoiles.