Les ondes térahertz deviennent de plus en plus importantes en science et en technologie. Ils nous permettent de décrypter les propriétés des futurs matériaux, tester la qualité de la peinture automobile et des enveloppes d'écran. Mais générer ces ondes reste un défi. Une équipe à Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), TU Dresden et l'Université de Constance a maintenant fait des progrès significatifs. Les chercheurs ont développé un composant en germanium qui génère de courtes impulsions térahertz avec une propriété avantageuse :les impulsions ont un spectre à très large bande et délivrent ainsi de nombreuses fréquences térahertz différentes en même temps. Comme il a été possible de fabriquer le composant en utilisant des méthodes déjà utilisées dans l'industrie des semi-conducteurs, le développement promet un large éventail d'applications dans la recherche et la technologie, comme l'équipe le rapporte dans le journal Lumière :science et applications .

Tout comme la lumière, les ondes térahertz sont classées comme rayonnement électromagnétique. Dans le spectre, ils se situent juste entre les micro-ondes et le rayonnement infrarouge. Mais alors que les micro-ondes et le rayonnement infrarouge sont entrés depuis longtemps dans notre vie quotidienne, les ondes térahertz commencent tout juste à être utilisées. La raison en est que les experts n'ont pu construire des sources raisonnablement acceptables pour les ondes térahertz que depuis le début des années 2000. Mais ces émetteurs ne sont toujours pas parfaits - ils sont relativement gros et chers, et le rayonnement qu'ils émettent n'a pas toujours les propriétés souhaitées.

L'une des méthodes de génération établies est basée sur un cristal d'arséniure de gallium. Si ce cristal semi-conducteur est irradié avec de courtes impulsions laser, des porteurs de charge d'arséniure de gallium sont formés. Ces charges sont accélérées en appliquant une tension qui force la génération d'une onde térahertz - essentiellement le même mécanisme que dans un mât d'émetteur VHF où les charges en mouvement produisent des ondes radio.

Cependant, cette méthode présente un certain nombre d'inconvénients :« Elle ne peut fonctionner qu'avec des lasers spéciaux relativement coûteux, " explique le physicien HZDR Dr. Harald Schneider. "Avec des lasers standard du type que nous utilisons pour les communications par fibre optique, ça ne marche pas. » Un autre inconvénient est que les cristaux d'arséniure de gallium ne délivrent que des impulsions térahertz à bande relativement étroite et donc une plage de fréquences restreinte, ce qui limite considérablement le domaine d'application.

Implants en métaux précieux

C'est pourquoi Schneider et son équipe misent sur un autre matériau, le semi-conducteur germanium. "Avec le germanium, nous pouvons utiliser des lasers moins chers appelés lasers à fibre, " dit Schneider. " D'ailleurs, les cristaux de germanium sont très transparents et facilitent ainsi l'émission d'impulsions à très large bande." Mais, jusque là, ils ont eu un problème :si vous irradiez du germanium pur avec une courte impulsion laser, il faut plusieurs microsecondes avant que la charge électrique dans le semi-conducteur disparaisse. Ce n'est qu'alors que le cristal peut absorber la prochaine impulsion laser. Les lasers d'aujourd'hui, cependant, peuvent déclencher leurs impulsions à des intervalles de quelques dizaines de nanosecondes, une séquence de tirs beaucoup trop rapide pour le germanium.

Afin de surmonter cette difficulté, les experts ont cherché un moyen de faire disparaître plus rapidement les charges électriques du germanium. Et ils ont trouvé la réponse dans un métal précieux de premier plan :l'or. "Nous avons utilisé un accélérateur d'ions pour projeter des atomes d'or dans un cristal de germanium, " explique le collègue de Schneider, Dr Abhishek Singh. "L'or a pénétré le cristal à une profondeur de 100 nanomètres." Les scientifiques ont ensuite chauffé le cristal pendant plusieurs heures à 900 degrés Celsius. Le traitement thermique a assuré que les atomes d'or étaient uniformément répartis dans le cristal de germanium.

Le succès a commencé lorsque l'équipe a illuminé le germanium poivré avec des impulsions laser ultracourtes :au lieu de traîner dans le cristal pendant plusieurs microsecondes, les porteurs de charge électrique ont de nouveau disparu en moins de deux nanosecondes, soit environ mille fois plus vite qu'auparavant. Au sens figuré, l'or fonctionne comme un piège, aider à attraper et à neutraliser les charges. « Maintenant, le cristal de germanium peut être bombardé d'impulsions laser à un taux de répétition élevé et continuer à fonctionner, " Singh est heureux d'annoncer.

Fabrication peu coûteuse possible

La nouvelle méthode facilite les impulsions térahertz avec une bande passante extrêmement large :au lieu de 7 térahertz en utilisant la technique établie à l'arséniure de gallium, il est maintenant dix fois plus grand :70 térahertz. "Nous obtenons un large, continu, spectre sans faille d'un seul coup", Harald Schneider s'enthousiasme. "Cela signifie que nous avons une source vraiment polyvalente à portée de main qui peut être utilisée pour les applications les plus diverses." Un autre avantage est que, effectivement, Les composants en germanium peuvent être traités avec la même technologie que celle utilisée pour les puces électroniques. "Contrairement à l'arséniure de gallium, le germanium est compatible avec le silicium, " note Schneider. " Et comme les nouveaux composants peuvent être utilisés avec des lasers à fibre optique standard, vous pourriez rendre la technologie assez compacte et peu coûteuse."

Cela devrait faire du germanium dopé à l'or une option intéressante non seulement pour les applications scientifiques, comme l'analyse détaillée de matériaux bidimensionnels innovants comme le graphène, mais aussi pour des applications en médecine et en technologie environnementale. On pourrait imaginer des capteurs, par exemple, qui tracent certains gaz dans l'atmosphère au moyen de leur spectre térahertz. Les sources térahertz d'aujourd'hui sont encore trop chères à cet effet. Les nouvelles méthodes, développé à Dresde-Rossendorf, pourrait aider à rendre les capteurs environnementaux comme celui-ci beaucoup moins chers à l'avenir.