Les physiciens de l'EPFL proposent une nouvelle voie pour détecter le rayonnement infrarouge avec une sensibilité exceptionnelle, permettant la détection de signaux aussi faibles que celui d'un seul quantum de lumière.

Lorsque vous utilisez notre webcam ou l'appareil photo de votre téléphone portable, nous faisons l'expérience des énormes capacités des capteurs bon marché et compacts développés au cours des dernières décennies pour la région visible du spectre électromagnétique. Au contraire, la détection des rayonnements à basse fréquence non visibles à l'œil humain (tels que les rayonnements infrarouges moyens et lointains) nécessite un équipement complexe et coûteux. L'absence d'une technologie compacte empêche un large accès aux capteurs pour la reconnaissance des molécules et l'imagerie du rayonnement thermique naturellement émis par notre corps. Une nouvelle percée conceptuelle dans ce domaine peut donc avoir des impacts énormes dans notre vie quotidienne.

La technique la plus populaire actuellement disponible pour détecter le rayonnement infrarouge moyen et lointain consiste en des bolomètres, qui sont constitués de réseaux de petits thermomètres mesurant la chaleur produite par absorption de rayonnement. Ils ont de nombreuses limites, en particulier étant lent à réagir et incapable de détecter de faibles niveaux de rayonnement.

L'approche inédite proposée par l'équipe de l'EPFL dirigée par Christophe Galland et Tobias Kippenberg suit une tout autre voie :convertir d'abord le rayonnement invisible en lumière visible, puis le détecter avec les technologies existantes. Au cœur du nouveau concept se trouvent les nanostructures hybrides métal-molécule. Le métal est conçu pour focaliser le rayonnement infrarouge sur les molécules, qui sont ainsi mis en vibration. Prochain, l'énergie des molécules vibrantes est reconvertie en rayonnement, mais cette fois à une fréquence beaucoup plus élevée, dans le domaine visible. La nanostructure hybride, conçu en collaboration avec Diego Martin-Cano (Max-Planck Institute for Light, Erlangen, Allemagne), permet une efficacité de conversion élevée tout en réduisant la taille de l'appareil à des dimensions nettement inférieures à la longueur d'onde de la lumière infrarouge.

Philippe Roelli, auteur principal de l'étude, souligne que, parmi les diverses avancées conceptuelles envisagées par leur schéma, l'aspect le plus intriguant concerne sa sensibilité potentielle :« Le faible niveau de bruit ajouté par la vibration moléculaire lors du processus de conversion permet la détection de signaux extrêmement faibles à température ambiante. Avec des appareils avancés, nous prévoyons d'atteindre une conversion limitée quantique et d'avoir l'opportunité unique de résoudre le signal de quanta unique de lumière infrarouge."

L'étude de l'EPFL inspirera de futurs travaux à l'interface entre science des surfaces, la nanotechnologie et l'optique quantique pour favoriser le développement de nouveaux dispositifs avec des applications dans la détection et l'imagerie infrarouge.