Schéma d'une arête laser dans le laser à cascade quantique THz refroidi thermoélectriquement. Crédit :Groupe Faist, ETH Zurich
Le rayonnement térahertz (THz) est un peu comme un coffre au trésor qui résiste à une ouverture complète. Résidant dans le spectre électromagnétique entre les régions infrarouge et micro-ondes, Le rayonnement THz combine une gamme de propriétés idéales en vue d'applications. Il fournit une fenêtre d'informations spectroscopiques uniques sur les molécules et les solides, il peut pénétrer des matériaux non conducteurs tels que les textiles et les tissus biologiques, et il le fait sans ioniser - et donc endommager - l'objet, ou sujet, en cours d'étude. Cela ouvre des perspectives intéressantes pour l'imagerie non invasive et le contrôle qualité non destructif, entre autres applications. Mais alors que les idées d'utilisations potentielles ne manquent pas, leur mise en œuvre est entravée par le manque de technologies pratiques pour générer et détecter le rayonnement THz.
D'où l'excitation de Lorenzo Bosco, Martin Franckié et ses collègues du groupe de Jérôme Faist à l'Institut d'électronique quantique de l'ETH Zurich ont rapporté la réalisation d'un laser à cascade quantique THz fonctionnant à une température de 210 K (-63 °C). C'est la température de fonctionnement la plus élevée atteinte à ce jour pour ce type d'appareil. Plus important, c'est la première fois que le fonctionnement d'un tel dispositif est démontré dans un régime de température où aucun réfrigérant cryogénique n'est nécessaire. Au lieu, Bosco et al. utilisé une glacière thermoélectrique, ce qui est beaucoup plus compact, moins cher et plus facile à entretenir que les équipements cryogéniques. Avec cette avance, ils ont supprimé les principaux obstacles sur la voie de diverses applications pratiques.
Une cascade vers les applications
Les lasers à cascade quantique (QCL) sont depuis longtemps un concept naturel pour les dispositifs THz. Comme de nombreux lasers largement utilisés comme sources de lumière dans la région de fréquence visible à infrarouge, Les QCL sont basées sur des matériaux semi-conducteurs. Mais par rapport aux lasers à semi-conducteurs typiques utilisés, par exemple, dans les lecteurs de codes-barres ou les pointeurs laser, Les QCL fonctionnent selon un concept fondamentalement différent pour obtenir une émission lumineuse. En bref, ils sont construits autour d'empilements répétés de structures semi-conductrices conçues avec précision (voir la figure, panneau c), qui sont conçus de telle sorte que des transitions électroniques appropriées s'y déroulent (panneau d).
Les QCL ont été proposées en 1971, mais n'ont été démontrés pour la première fois qu'en 1994, par Faist et ses collègues, puis travailler chez Bell Laboratories (États-Unis). L'approche a fait ses preuves dans un large éventail d'expériences, à la fois fondamentale et appliquée, principalement dans le domaine infrarouge. Le développement de QCL pour l'émission THz a fait des progrès substantiels, trop, à partir de 2001. L'utilisation généralisée a été entravée cependant par l'exigence de réfrigérants cryogéniques, généralement de l'hélium liquide, ce qui ajoute une complexité et un coût substantiels, et rend les appareils volumineux et moins mobiles. Les progrès vers l'exploitation des QCL THz à des températures plus élevées ont été essentiellement bloqués il y a sept ans, lorsque le fonctionnement des appareils à environ 200 K (-73 °C) était atteint.
a) Le boîtier laser à refroidissement thermoélectrique avec le laser monté sur un élément Peltier (carré blanc), permettant un fonctionnement entre 195 K et 210,5 K avec le laser émettant verticalement à travers la fenêtre du couvercle supérieur. b) La puce laser montée dans le boîtier laser, en contact avec de minces fils d'or collés au-dessus de plusieurs arêtes laser. c) Schéma d'une arête laser ; les lignes horizontales montrent la structure de puits quantiques formée par des semi-conducteurs en couches. La crête (150 micromètres de large) est prise en sandwich entre de fines couches de cuivre. d) Bord de bande de conduction (lignes blanches) incliné par le biais d'opération appliqué, avec la densité électronique résolue en énergie indiquée en couleur. La polarisation électrique entraîne les électrons à travers les transitions non radiatives indiquées par la flèche en pointillé. Cela pompe l'état dans le puits mince, qui devient plus peuplé que l'état dans le puits plus large indiqué par la flèche verte, permettant une émission stimulée nette de photons térahertz. Crédit :Groupe Faist, ETH Zurich
Barrière franchie
Atteindre 200 K était un exploit impressionnant. Cette température, cependant, est juste en dessous du seuil où les techniques cryogéniques pourraient être remplacées par un refroidissement thermoélectrique. Le fait que la température record n'ait pas bougé depuis 2012 signifiait également qu'une sorte de « barrière psychologique » a commencé à s'élever - de nombreux sur le terrain ont commencé à accepter que les QCL THz devraient toujours fonctionner en conjonction avec un refroidisseur cryogénique.
L'équipe de l'ETH a maintenant brisé cette barrière. Écrire dans Lettres de physique appliquée , ils présentent un THz QCL refroidi thermoélectriquement, fonctionnant à des températures allant jusqu'à 210°K. De plus, la lumière laser émise était suffisamment puissante pour être mesurée avec un détecteur de température ambiante. Cela signifie que l'ensemble de l'installation a fonctionné sans refroidissement cryogénique, renforcer encore le potentiel de l'approche pour des applications pratiques.
Bosco, Franckié et ses collaborateurs ont réussi à supprimer la « barrière du refroidissement » grâce à deux réalisations liées. D'abord, ils ont utilisé dans la conception de leurs empilements QCL la structure unitaire la plus simple possible, sur la base de deux puits dits quantiques par période (voir la figure, panneau d). Cette approche est connue pour être une voie vers des températures de fonctionnement plus élevées, mais en même temps, cette conception à deux puits est également extrêmement sensible aux moindres changements dans la géométrie des structures semi-conductrices. L'optimisation des performances par rapport à un paramètre peut entraîner une dégradation par rapport à un autre. L'optimisation expérimentale systématique n'étant pas une option viable, ils devaient s'appuyer sur la modélisation numérique.
C'est le deuxième domaine où le groupe a fait des progrès substantiels. Dans des travaux récents, ils ont établi qu'ils peuvent simuler avec précision des dispositifs QCL expérimentaux complexes, en utilisant une approche connue sous le nom de modèle de fonction de non-équilibre de Green. Les calculs doivent être effectués sur un cluster informatique puissant, mais ils sont suffisamment efficaces pour pouvoir être utilisés pour rechercher systématiquement des conceptions optimales. La capacité du groupe à prédire avec précision les propriétés des appareils - et à fabriquer des appareils selon des spécifications précises - leur a donné les outils pour réaliser une série de lasers qui fonctionnent de manière cohérente à des températures pouvant être atteintes avec un refroidissement thermoélectrique (voir la figure, panneaux a et b). Et la démarche n'est nullement épuisée. Des idées pour pousser la température de fonctionnement plus haut existent dans le groupe Faist, et les résultats préliminaires semblent prometteurs.
Combler le fossé THz
La première démonstration d'un laser à cascade quantique térahertz fonctionnant sans refroidissement cryogénique constitue une étape importante vers le comblement du "THz gap", qui a longtemps existé entre les technologies matures pour les micro-ondes et le rayonnement infrarouge. Sans pièces mobiles ou liquides en circulation impliqués, le type de QCL THz refroidi thermoélectriquement maintenant introduit par les physiciens de l'ETH peut être plus facilement appliqué et maintenu en dehors des limites des laboratoires spécialisés, soulevant davantage le couvercle du «coffre au trésor THZ».
