Dans le juste milieu électromagnétique entre les micro-ondes et la lumière visible se trouve le rayonnement térahertz, et la promesse d'une "vision à rayons T".

Les ondes térahertz ont des fréquences supérieures à celles des micro-ondes et inférieures à la lumière infrarouge et visible. Là où la lumière optique est bloquée par la plupart des matériaux, les ondes térahertz peuvent passer directement, semblable aux micro-ondes. S'ils étaient façonnés en lasers, les ondes térahertz pourraient permettre « la vision aux rayons T, " avec la capacité de voir à travers les vêtements, couvertures de livres, et d'autres matériaux minces. Une telle technologie pourrait produire des croustillants, des images à plus haute résolution que les micro-ondes, et être beaucoup plus sûr que les rayons X.

La raison pour laquelle nous ne voyons pas de machines à rayons T, par exemple, les lignes de sécurité des aéroports et les installations d'imagerie médicale est que la production de rayonnement térahertz nécessite de très grandes, des configurations ou des appareils encombrants qui produisent un rayonnement térahertz à une seule fréquence - pas très utile, étant donné qu'une large gamme de fréquences est nécessaire pour pénétrer divers matériaux.

Maintenant, des chercheurs du MIT, Université de Harvard, et l'armée américaine ont construit un appareil compact, la taille d'une boîte à chaussures, qui produit un laser térahertz dont ils peuvent régler la fréquence sur une large plage. L'appareil est construit à partir de produits commerciaux, des pièces du commerce et est conçu pour générer des ondes térahertz en faisant monter l'énergie des molécules dans l'oxyde nitreux, ou, comme on l'appelle plus communément, gaz hilarant.

Steven Johnson, professeur de mathématiques au MIT, dit qu'en plus de la vision aux rayons T, les ondes térahertz peuvent être utilisées comme une forme de communication sans fil, transportant des informations à une bande passante plus élevée que le radar, par exemple, et le faire sur des distances que les scientifiques peuvent désormais régler à l'aide de l'appareil du groupe.

"En accordant la fréquence térahertz, vous pouvez choisir la distance que les ondes peuvent parcourir dans l'air avant d'être absorbées, des mètres aux kilomètres, qui donne un contrôle précis sur qui peut « entendre » vos communications térahertz ou « voir » votre radar térahertz, " dit Johnson. " Un peu comme changer le cadran de votre radio, la possibilité de régler facilement une source térahertz est cruciale pour ouvrir de nouvelles applications dans les communications sans fil, radar, et la spectroscopie."

Johnson et ses collègues ont publié leurs résultats dans la revue Science . Les co-auteurs incluent le postdoctorant du MIT Fan Wang, avec Paul Chevalier, Arman Armizhan, Marco Piccardo, et Federico Capasso de l'Université Harvard, et Henry Everitt du U.S. Army Combat Capabilities Development Command Aviation and Missile Center.

Salle de respiration moléculaire

Depuis les années 1970, les scientifiques ont expérimenté la génération d'ondes térahertz à l'aide de lasers à gaz moléculaires, des configurations dans lesquelles un laser infrarouge de haute puissance est projeté dans un grand tube rempli de gaz (généralement du fluorure de méthyle) dont les molécules réagissent en vibrant et éventuellement en tournant. Les molécules en rotation peuvent sauter d'un niveau d'énergie à l'autre, dont la différence est émise comme une sorte d'énergie résiduelle, sous la forme d'un photon de l'ordre des térahertz. Au fur et à mesure que les photons s'accumulent dans la cavité, ils produisent un laser térahertz.

L'amélioration de la conception de ces lasers à gaz a été entravée par des modèles théoriques peu fiables, disent les chercheurs. Dans les petites cavités à haute pression de gaz, les modèles prédisaient que, au-delà d'une certaine pression, les molécules seraient trop "à l'étroit" pour tourner et émettre des ondes térahertz. En partie pour cette raison, les lasers à gaz térahertz utilisaient généralement des cavités de plusieurs mètres de long et de grands lasers infrarouges.

Cependant, Dans les années 1980, Everitt a découvert qu'il était capable de produire des ondes térahertz dans son laboratoire en utilisant un laser à gaz beaucoup plus petit que les appareils traditionnels, à des pressions bien plus élevées que ce que les modèles disaient était possible. Cet écart n'a jamais été complètement expliqué, et les travaux sur les lasers à gaz térahertz ont été abandonnés au profit d'autres approches.

Il y a quelques années, Everitt a mentionné ce mystère théorique à Johnson lorsque les deux collaboraient sur d'autres travaux dans le cadre de l'Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT. Avec Everitt, Johnson et Wang ont relevé le défi, et finalement formulé une nouvelle théorie mathématique pour décrire le comportement d'un gaz dans une cavité laser à gaz moléculaire. La théorie a également expliqué avec succès comment les ondes térahertz pouvaient être émises, même de très petit, cavités à haute pression.

Johnson dit que si les molécules de gaz peuvent vibrer à plusieurs fréquences et vitesses de rotation en réponse à une pompe infrarouge, les théories précédentes ne tenaient pas compte de bon nombre de ces états vibrationnels et supposaient plutôt qu'une poignée de vibrations était ce qui importait finalement dans la production d'une onde térahertz. Si une cavité était trop petite, les théories précédentes suggéraient que les molécules vibrant en réponse à un laser infrarouge entrant se heurteraient plus souvent les unes aux autres, libérant leur énergie plutôt que de la construire davantage pour tourner et produire des térahertz.

Au lieu, le nouveau modèle a suivi des milliers d'états vibrationnels et rotationnels pertinents parmi des millions de groupes de molécules dans une seule cavité, utiliser de nouvelles astuces informatiques pour résoudre un problème aussi important sur un ordinateur portable. Il a ensuite analysé comment ces molécules réagiraient à la lumière infrarouge entrante, en fonction de leur position et de leur direction dans la cavité.

"Nous avons découvert que lorsque vous incluez tous ces autres états vibratoires que les gens avaient rejetés, ils vous donnent un tampon, " dit Johnson. " Dans les modèles plus simples, les molécules tournent, mais quand ils heurtent d'autres molécules, ils perdent tout. Une fois que vous avez inclus tous ces autres états, cela n'arrive plus. Ces collisions peuvent transférer de l'énergie à d'autres états vibrationnels, et vous donne en quelque sorte plus de marge de manœuvre pour continuer à tourner et continuer à faire des ondes térahertz."

En riant, composé

Une fois que l'équipe a découvert que son nouveau modèle avait prédit avec précision ce qu'Evertt avait observé il y a des décennies, ils ont collaboré avec le groupe de Capasso à Harvard pour concevoir un nouveau type de générateur térahertz compact en combinant le modèle avec de nouveaux gaz et un nouveau type de laser infrarouge.

Pour la source infrarouge, les chercheurs ont utilisé un laser à cascade quantique, ou QCL, un type de laser plus récent, compact et accordable.

"Vous pouvez tourner un cadran, et il change la fréquence du laser d'entrée, et l'espoir était que nous puissions l'utiliser pour changer la fréquence du térahertz sortant, " dit Johnson.

Les chercheurs se sont associés à Capasso, un pionnier dans le développement de QCLs, qui a fourni un laser qui a produit une gamme de puissance que leur théorie prédit fonctionnerait avec une cavité de la taille d'un stylo (environ 1/1, 000 la taille d'une cavité conventionnelle). Les chercheurs ont ensuite cherché un gaz à faire tourner.

L'équipe a recherché dans des bibliothèques de gaz pour identifier ceux qui étaient connus pour tourner d'une certaine manière en réponse à la lumière infrarouge, atterrissant finalement sur le protoxyde d'azote, ou gaz hilarant, comme un candidat idéal et accessible pour leur expérience.

Ils ont commandé du protoxyde d'azote de qualité laboratoire, qu'ils ont pompé dans une cavité de la taille d'un stylo. Quand ils ont envoyé la lumière infrarouge du QCL dans la cavité, ils ont découvert qu'ils pouvaient produire un laser térahertz. Pendant qu'ils réglaient le QCL, la fréquence des ondes térahertz s'est également déplacée, à travers une large gamme.

"Ces démonstrations confirment le concept universel d'une source laser moléculaire térahertz qui peut être largement accordable sur l'ensemble de ses états de rotation lorsqu'elle est pompée par un QCL accordable en continu, " dit Wang.

Depuis ces premières expériences, les chercheurs ont étendu leur modèle mathématique pour inclure une variété d'autres molécules de gaz, comme le monoxyde de carbone et l'ammoniac, fournir aux scientifiques un menu de différentes options de génération térahertz avec différentes fréquences et plages de réglage, couplé à un QCL adapté à chaque gaz. Les outils théoriques du groupe permettent également aux scientifiques d'adapter la conception de la cavité à différentes applications. Ils poussent maintenant vers des faisceaux plus focalisés et des puissances plus élevées, avec un développement commercial à l'horizon.

Johnson dit que les scientifiques peuvent se référer au modèle mathématique du groupe pour concevoir de nouveaux, lasers térahertz compacts et accordables, en utilisant d'autres gaz et paramètres expérimentaux.

« Ces lasers à gaz ont longtemps été considérés comme une technologie ancienne, et les gens pensaient qu'ils étaient énormes, batterie faible, choses non accordables, ils se sont donc tournés vers d'autres sources térahertz, " dit Johnson. " Maintenant, nous disons qu'ils peuvent être petits, accordable, et beaucoup plus efficace. Vous pouvez le mettre dans votre sac à dos, ou dans votre véhicule pour la communication sans fil ou l'imagerie haute résolution. Parce que vous ne voulez pas de cyclotron dans votre voiture."