Le laser de niveau Landau est un concept passionnant pour une source de rayonnement inhabituelle. Il pourrait générer efficacement des ondes dites térahertz, qui peut être utilisé pour pénétrer des matériaux, avec des applications possibles dans la transmission de données. Jusque là, cependant, presque toutes les tentatives pour fabriquer un tel laser ont échoué. Une équipe internationale de chercheurs a maintenant fait un pas important dans la bonne direction :dans la revue Photonique de la nature , ils décrivent un matériau qui génère des ondes térahertz en appliquant simplement un courant électrique. Les physiciens du centre de recherche allemand Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ont joué un rôle important dans ce projet.

Comme la lumière, Les ondes térahertz sont un rayonnement électromagnétique dans une gamme de fréquences entre les micro-ondes et le rayonnement infrarouge. Leurs propriétés sont d'un grand intérêt technologique et scientifique, car ils permettent aux chercheurs fondamentaux d'étudier les oscillations des réseaux cristallins ou la propagation des ondes de spin.

« Les ondes térahertz sont intéressantes pour les applications techniques car elles peuvent pénétrer de nombreuses substances qui seraient autrement opaques, comme des vêtements, plastiques et papiers, " explique Stephan Winnerl, chercheur en HZDR. Les scanners térahertz sont déjà utilisés aujourd'hui pour les contrôles de sécurité dans les aéroports, détecter si les passagers cachent des objets dangereux sous leurs vêtements, sans avoir recours à des rayons X nocifs.

Parce que les ondes térahertz ont une fréquence plus élevée que les ondes radio que nous utilisons aujourd'hui, ils pourraient aussi être exploités pour la transmission de données un jour. Technologie WLAN actuelle, par exemple, fonctionne à des fréquences de deux à cinq gigahertz. Étant donné que les fréquences térahertz sont environ 1000 fois plus élevées, ils pourraient transmettre des images, vidéo et musique beaucoup plus rapidement, bien que sur des distances plus courtes. Cependant, la technologie n'est pas encore complètement développée. « Il y a eu beaucoup de progrès ces dernières années, " Rapporte Winnerl. " Mais générer les ondes est toujours un défi - les experts parlent d'un véritable écart térahertz. " Un problème particulier est l'absence d'un laser térahertz compact, puissant, et réglable en même temps.

Fréquences flexibles

La lumière laser est générée par les électrons dans le matériau laser. Selon l'effet quantique, les électrons excités émettent de la lumière, mais ils ne peuvent pas absorber n'importe quelle quantité aléatoire d'énergie, seulement certaines portions. Par conséquent, la lumière est également émise par portions, dans une couleur spécifique et sous forme de faisceau focalisé. Depuis quelque temps maintenant, les experts ont jeté leur dévolu sur un concept précis de laser térahertz, un laser de niveau Landau. Notamment, il peut utiliser un champ magnétique pour ajuster de manière flexible les niveaux d'énergie des électrons. Ces niveaux, à son tour, déterminer les fréquences émises par les électrons, ce qui rend le laser accordable, un énorme avantage pour de nombreuses applications scientifiques et techniques.

Il n'y a qu'un seul problème :un tel laser n'existe pas encore. "Jusque là, le problème est que les électrons transmettent leur énergie à d'autres électrons au lieu de les émettre sous forme d'ondes lumineuses souhaitées, ", explique Winnerl. Les experts appellent ce processus physique l'effet Auger. À leur grand dam, ce phénomène se produit également dans le graphène, un matériau qu'ils jugeaient particulièrement prometteur pour un laser de niveau Landau. Cette forme bidimensionnelle de carbone a montré une forte diffusion Auger dans les expériences HZDR.

Une question de matériel

L'équipe de recherche a donc essayé un autre matériau :un alliage métallique lourd de mercure, le cadmium et le tellure (HgCdTe) utilisés pour les caméras thermiques très sensibles, entre autres. La particularité de ce matériau est que son mercure, les teneurs en cadmium et tellure peuvent être choisies très précisément, ce qui permet d'affiner une certaine propriété que les experts appellent la bande interdite.

Par conséquent, le matériau a montré des propriétés similaires au graphène, mais sans le problème d'une forte diffusion Auger. "Il existe des différences subtiles avec le graphène qui évitent cet effet de diffusion, " dit Stephan Winnerl. " En termes simples, les électrons ne peuvent pas trouver d'autres électrons qui pourraient absorber la bonne quantité d'énergie. ils n'ont d'autre choix que de se débarrasser de leur énergie sous la forme souhaitée par les scientifiques :le rayonnement térahertz.

Le projet était un travail d'équipe internationale :les partenaires russes avaient préparé les échantillons de HgCdTe, que le groupe pilote du projet à Grenoble a ensuite analysé. L'une des études pivots a eu lieu à Dresde-Rossendorf :à l'aide du laser à électrons libres FELBE, les experts ont tiré de fortes impulsions térahertz sur l'échantillon et ont pu observer le comportement des électrons en résolution temporelle. Le résultat :« Nous avons remarqué que l'effet Auger que nous avions observé dans le graphène avait effectivement disparu, ", dit Winner.

LED pour térahertz

Dernièrement, un groupe de travail de Montpellier a observé que le composé HgCdTe émet en réalité des ondes térahertz lorsqu'un courant électrique est appliqué. En faisant varier un champ magnétique supplémentaire de seulement 200 millitesla environ, les experts ont pu faire varier la fréquence des ondes émises dans une plage de un à deux térahertz, une source de rayonnement accordable. "Ce n'est pas encore tout à fait un laser, mais plutôt comme une LED térahertz, » décrit Winnerl. « Mais nous devrions pouvoir étendre le concept à un laser, même si cela demandera des efforts." Et c'est exactement ce à quoi les partenaires français veulent s'attaquer ensuite.

Il y a un facteur limitant, cependant :Jusqu'à présent, le principe n'a fonctionné que lorsqu'il est refroidi à très basse température, juste au-dessus du zéro absolu. "C'est certainement un frein pour les applications quotidiennes, » résume Winnerl. « Mais pour une utilisation en recherche et dans certains systèmes de haute technologie, nous devrions pouvoir le faire fonctionner avec ce type de refroidissement."