Des chercheurs de l'Université de Princeton ont considérablement réduit l'équipement de production de térahertz - d'importantes impulsions électromagnétiques d'une durée d'un millionième de millionième de seconde - d'une configuration de table avec des lasers et des miroirs à une paire de micropuces suffisamment petites pour tenir sur le bout d'un doigt (ci-dessus) . Le plus simple, la génération moins chère de térahertz a un potentiel de progrès en imagerie médicale, communication et développement de médicaments. Crédit :Frank Wojciechowski pour le Bureau des communications techniques
Des impulsions électromagnétiques d'une durée d'un millionième de millionième de seconde pourraient être la clé des progrès de l'imagerie médicale, communication et développement de médicaments. Mais les impulsions, appelées ondes térahertz, ont longtemps exigé un équipement élaboré et coûteux à utiliser.
Maintenant, des chercheurs de l'Université de Princeton ont considérablement réduit une grande partie de cet équipement :passant d'une configuration de table avec des lasers et des miroirs à une paire de micropuces suffisamment petites pour tenir sur le bout d'un doigt.
Dans deux articles récemment publiés dans le Journal IEEE des circuits à semi-conducteurs , les chercheurs décrivent une puce qui peut générer des ondes térahertz, et une deuxième puce qui peut capturer et lire les détails complexes de ces ondes.
"Le système est réalisé dans la même technologie de puce de silicium qui alimente tous les appareils électroniques modernes, des smartphones aux tablettes, et ne coûte donc que quelques dollars à faire à grande échelle", a déclaré le chercheur principal Kaushik Sengupta, un professeur assistant de Princeton en génie électrique.
Les ondes térahertz font partie du spectre électromagnétique - la large classe d'ondes qui comprend la radio, Rayons X et lumière visible — et s'asseoir entre les bandes d'ondes lumineuses micro-ondes et infrarouge. Les vagues ont des caractéristiques uniques qui les rendent intéressantes pour la science. Pour un, ils traversent la plupart des matériaux non conducteurs, afin qu'ils puissent être utilisés pour regarder à travers les vêtements ou les boîtes à des fins de sécurité, et parce qu'ils ont moins d'énergie que les rayons X, ils n'endommagent pas les tissus humains ou l'ADN.
Les ondes térahertz interagissent également de manière distincte avec différents produits chimiques, ils peuvent donc être utilisés pour caractériser des substances spécifiques. Connu sous le nom de spectroscopie, la capacité d'utiliser des ondes lumineuses pour analyser le matériau est l'une des applications les plus prometteuses et les plus difficiles de la technologie térahertz, dit Sengupta.
Pour le faire, les scientifiques projettent une large gamme d'ondes térahertz sur une cible, puis observent comment les ondes changent après avoir interagi avec elle. L'œil humain effectue un type de spectroscopie similaire avec la lumière visible :nous voyons une feuille comme verte parce que la lumière dans la fréquence de la lumière verte rebondit sur la feuille chargée de chlorophylle.
Dans deux articles récemment publiés, chercheurs Kaushik Sengupta (à gauche), professeur assistant en génie électrique, et Xue Wu (à droite), un étudiant diplômé de Princeton en informatique, décrire une puce qui peut générer des ondes térahertz, et une deuxième puce qui peut capturer et lire les détails complexes de ces ondes. Les ondes térahertz se situent entre les bandes d'ondes lumineuses micro-ondes et infrarouges sur le spectre électromagnétique et ont des caractéristiques uniques, comme la capacité de traverser la plupart des matériaux non conducteurs tels que les vêtements ou les boîtes sans endommager les tissus humains ou l'ADN. Crédit :Université de Princeton
Le défi a été que générer une large gamme d'ondes térahertz et interpréter leur interaction avec une cible nécessite un ensemble complexe d'équipements tels que des générateurs térahertz volumineux ou des lasers ultrarapides. La taille et le coût de l'équipement rendent la technologie peu pratique pour la plupart des applications.
Les chercheurs travaillent depuis des années pour simplifier ces systèmes. En septembre, L'équipe de Sengupta a signalé un moyen de réduire la taille du générateur térahertz et de l'appareil qui interprète les ondes de retour en une puce de la taille d'un millimètre. La solution réside dans la ré-imagerie du fonctionnement d'une antenne. Lorsque les ondes térahertz interagissent avec une structure métallique à l'intérieur de la puce, ils créent une distribution complexe de champs électromagnétiques propres au signal incident. Typiquement, ces champs subtils sont ignorés, mais les chercheurs ont réalisé qu'ils pouvaient lire les motifs comme une sorte de signature pour identifier les vagues. L'ensemble du processus peut être accompli avec de minuscules dispositifs à l'intérieur de la puce qui lisent les ondes térahertz.
"Au lieu de lire directement les vagues, nous interprétons les motifs créés par les vagues, " a déclaré Sengupta. " C'est un peu comme chercher un motif de gouttes de pluie par les ondulations qu'elles font dans un étang. "
Daniel Mittleman, professeur d'ingénierie à l'Université Brown, a déclaré que le développement était "un travail très innovant, et cela a potentiellement beaucoup d'impact." Mittleman, qui est le vice-président de l'International Society for Infrared Millimeter and Terahertz Waves, a déclaré que les scientifiques ont encore du travail à faire avant que la bande térahertz puisse commencer à être utilisée dans les appareils de tous les jours, mais les développements sont prometteurs.
"C'est un très grand puzzle avec de nombreuses pièces, et ce n'est qu'un, mais c'est très important, " dit Mittleman, qui connaît le travail mais n'y a joué aucun rôle.
Du côté de la génération térahertz, une grande partie du défi consiste à créer une large gamme de longueurs d'onde dans la bande térahertz, notamment dans une puce électronique. Les chercheurs ont réalisé qu'ils pouvaient surmonter le problème en générant plusieurs longueurs d'onde sur la puce. Ils ont ensuite utilisé une synchronisation précise pour combiner ces longueurs d'onde et créer des impulsions térahertz très nettes.
Dans un article publié le 14 décembre dans le Journal IEEE des circuits à semi-conducteurs , les chercheurs ont expliqué comment ils ont créé une puce pour générer les ondes térahertz. L'étape suivante, les chercheurs ont dit, est d'étendre le travail plus loin le long de la bande térahertz. "En ce moment, nous travaillons avec la partie inférieure de la bande térahertz, " dit Xue Wu, un doctorant de Princeton en génie électrique et un auteur des deux articles.
« Que pouvez-vous faire avec un milliard de transistors fonctionnant à des fréquences térahertz ? » demanda Sengupta. "Ce n'est qu'en réimaginant ces interactions électromagnétiques complexes à partir de principes fondamentaux que nous pouvons inventer une nouvelle technologie qui change la donne."
