Une équipe de recherche internationale d'Allemagne, Italie, et le Royaume-Uni a développé un composant photonique clé pour la gamme spectrale térahertz. En mélangeant les résonances électroniques dans les nanostructures semi-conductrices avec le champ photonique des microrésonateurs, ils ont conçu un miroir teinté qui blanchit plus facilement que jamais et pourrait rendre les lasers térahertz ultrarapides. Les résultats sont publiés dans le dernier numéro de Communication Nature .

Le rayonnement térahertz, souvent appelé rayons T, marque l'une des dernières frontières de la photonique. Situé dans l'espace spectral entre l'électronique hyperfréquence et l'optique infrarouge, Les rayons T offrent un potentiel d'application énorme, mais ils ont été coûteux à générer. Les premières applications térahertz largement disponibles vont des scanners corporels dans les aéroports et de la détection rapide des gaz à la communication ultrarapide. De nombreuses autres idées pourraient arriver sur le marché si des impulsions ultracourtes pouvaient être générées directement dans des lasers dits à cascade quantique, types spéciaux d'entraînement électrique, lasers térahertz compacts. Ces sources fonctionnent généralement en mode onde continue, mais il a été largement prédit qu'ils pourraient se transformer en fonctionnement pulsé si un élément photonique clé était incorporé dans le laser, un soi-disant absorbeur saturable.

Un absorbeur saturable fonctionne comme un miroir brumeux qui devient transitoirement clair si la lumière incidente devient trop vive. Si toute la puissance à l'intérieur d'un laser se concentre en une courte impulsion, il saturera facilement l'absorbeur et subira moins de pertes qu'un faisceau d'ondes continues. De tels éléments sont facilement disponibles en optique, alors que dans le domaine térahertz, ils n'ont existé que pour un rayonnement d'une intensité impraticable, pas réalisable avec les lasers à cascade quantique. Un consortium européen formé par les groupes de recherche de Miriam S. Vitiello, Pise, Edmond Linfield, Lyon, et Rupert Huber, Université de Ratisbonne, ont maintenant uni leurs forces pour développer une nouvelle classe d'absorbants saturables fonctionnant à des intensités de saturation beaucoup plus faibles.

Leur idée originale s'inspire d'une stratégie bien connue en musique :les résonateurs. D'où un piano Steinway tire-t-il son son unique ? Le secret est moins dans les cordes que dans le corps de résonance. C'est là que le son exact est défini et sa réponse dynamique à une frappe forte. "Nous transférons essentiellement cette idée dans l'optique térahertz, " dit Jürgen Raab, auteur principal du manuscrit. Le groupe de Miriam Vitiello a conçu un assemblage microstructuré d'un miroir en or et d'un réseau en or qui fonctionnent conjointement comme un corps résonant pour le rayonnement térahertz. Ces résonances peuvent être fortement couplées avec des électrons qui peuvent sauter entre deux états quantiques définis par une séquence atomiquement précise de nanostructures semi-conductrices, conçu et développé dans le groupe d'Edmund Linfield.

Le pivot :Le couplage fort entre les électrons et la microcavité térahertz se traduit par une excitation qui est demi-électron, photon demi térahertz. Cette situation ne façonne pas seulement le "ton" de la résonance, mais cela change aussi radicalement la façon dont le système réagit à une "forte frappe, " correspondant à une impulsion térahertz intense. Le groupe a mis le nouveau Steinway térahertz à son test ultime. Dans une installation spécialement conçue à Ratisbonne, ils ont concentré une impulsion térahertz ultracourte sur l'absorbeur saturable et ont développé une caméra au ralenti extrême pour suivre sa dynamique de saturation sur l'échelle de temps femtoseconde - la millionième partie d'un milliardième de seconde.

Le résultat étonnant :L'absorbeur était non seulement beaucoup plus facile à saturer que la transition électronique seule, d'environ un ordre de grandeur. Il sature également plus rapidement qu'un seul cycle d'oscillation de l'impulsion térahertz, et le "ton" du résonateur se transforme si bien pendant le processus de saturation qu'il ne reste pratiquement aucune absorption pendant que l'impulsion THz intense est appliquée. Ce sont les meilleurs gènes possibles d'absorbants saturables. Miriam Vitiello en est convaincue :« Nous avons désormais tous les composants à portée de main pour construire des lasers à cascade quantique térahertz ultrarapides avec des absorbeurs saturables.

Une telle source pourrait étendre considérablement la portée de la photonique térahertz. Dépassant la fréquence des ordinateurs modernes par un facteur stupéfiant de 1000, les impulsions térahertz ultracourtes pourraient constituer l'épine dorsale des liaisons de télécommunication révolutionnaires de nouvelle génération. Lasers compacts à cascade quantique, émettant des rayons T ultracourts, peut également permettre de stimuler l'analyse chimique et permettre une énorme variété d'applications dans le diagnostic et la médecine. Avec les résultats actuels, une étape importante vers ces objectifs audacieux a été atteinte.