Des chercheurs du MIT et de l'Université de Waterloo ont mis au point un version portable d'un appareil appelé laser à cascade quantique, qui peut générer un rayonnement térahertz en dehors d'un laboratoire. Le laser pourrait potentiellement être utilisé dans des applications telles que la localisation du cancer de la peau et la détection d'explosifs cachés.

Jusqu'à maintenant, la génération de rayonnement térahertz suffisamment puissant pour effectuer une imagerie en temps réel et des mesures spectrales rapides nécessitaient des températures bien inférieures à 200 Kelvin (-100 degrés Fahrenheit) ou moins. Ces températures ne pouvaient être atteintes qu'avec un équipement encombrant qui limitait l'utilisation de la technologie à un environnement de laboratoire. Dans un article publié en Photonique de la nature , Le professeur distingué du MIT en génie électrique et en informatique Qing Hu et ses collègues rapportent que leur laser à cascade quantique térahertz peut fonctionner à des températures allant jusqu'à 250 K (-10 degrés Fahrenheit), ce qui signifie que seule une glacière portable compacte est requise.

Lasers à cascade quantique térahertz, minuscules dispositifs laser à semi-conducteurs intégrés dans une puce, ont été inventés pour la première fois en 2002, mais les adapter pour fonctionner bien au-dessus de 200 K s'est avéré si difficile que de nombreuses personnes sur le terrain ont spéculé qu'il y avait une raison physique fondamentale l'empêchant, dit Hu.

"Avec une température de fonctionnement élevée, nous pouvons enfin mettre cela dans un système portable compact et sortir cette technologie révolutionnaire du laboratoire, " dit Hu. " Cela permettra d'obtenir des systèmes d'imagerie térahertz et spectraux portables qui auront un impact immédiat sur un large éventail d'applications en médecine, biochimie, Sécurité, et d'autres domaines."

Hu a commencé des recherches sur les fréquences térahertz - une bande du spectre électromagnétique entre les micro-ondes et la gamme infrarouge - en 1991.

"Il m'a fallu 11 ans et trois générations d'étudiants pour fabriquer notre propre [laser à cascade quantique térahertz] en 2002, " dit-il. Depuis, les températures maximales de fonctionnement qui limitaient l'utilisation du rayonnement térahertz restaient bien inférieures à la température ambiante. Le maximum de 250 K rapporté dans cet article représente un saut considérable par rapport au précédent maximum de 210 K, qui a été créé en 2019, battant un précédent record de 2012 de 200 K qui était resté intact pendant sept ans.

Les lasers, qui ne mesurent que quelques millimètres de long et sont plus fins qu'un cheveu humain, sont des structures de puits quantiques avec des puits et des barrières méticuleusement conçus sur mesure. Au sein de la structure, les électrons "cascadent" dans une sorte d'escalier, émettant une particule lumineuse, ou photon, à chaque étape.

Une innovation importante décrite dans le Photonique de la nature papier était le doublement de la hauteur des barrières à l'intérieur du laser pour éviter les fuites d'électrons, phénomène qui a tendance à s'amplifier à haute température.

"Nous avons compris que la fuite d'électrons par-dessus la barrière était le tueur, " provoquant la panne du système s'il n'est pas refroidi avec un cryostat, dit Hu. "Donc, nous mettons une barrière plus élevée pour empêcher la fuite, et cela s'est avéré être la clé de la percée."

Précédemment, des barrières plus élevées ont été explorées sporadiquement, mais ils ont donné des résultats inférieurs, dit Hu. L'opinion dominante était que l'augmentation de la diffusion des électrons associée aux barrières plus élevées était préjudiciable, et donc des barrières plus élevées devraient être évitées.

L'équipe de recherche a développé les paramètres corrects pour la structure de bande pour les barrières hautes et un schéma d'optimisation conceptuellement nouveau pour la conception.

Cette innovation a été associée à un "schéma de phonon direct" qui maintient le laser en fonctionnement grâce à une configuration dans laquelle les niveaux de laser inférieurs de chaque module, ou les marches de l'escalier de la structure, sont rapidement dépeuplés d'électrons par diffusion de phonons (ou d'une unité d'énergie vibrationnelle) dans un état fondamental, qui sert alors d'injecteur d'électrons dans le niveau supérieur de l'étape suivante, et le processus se répète. Un tel arrangement des électrons dans le système est essentiel pour que le laser se produise, comme envisagé pour la première fois par Einstein en 1916.

« Ce sont des structures très complexes avec près de 15, 000 interfaces entre puits quantiques et barrières, dont la moitié n'a même pas sept couches atomiques d'épaisseur, " déclare le co-auteur Zbig Wasilewski, professeur de génie électrique et informatique et titulaire de la chaire en nanotechnologie de l'Université de Waterloo. « La qualité et la reproductibilité de ces interfaces sont d'une importance cruciale pour les performances des lasers térahertz. Il a fallu le meilleur des capacités de croissance épitaxiale des faisceaux moléculaires - la contribution clé de notre équipe de recherche - ainsi que l'expertise de nos collaborateurs du MIT dans la modélisation et la fabrication de dispositifs quantiques, de faire des progrès aussi importants dans ce secteur difficile de la photonique THz. »

En milieu médical, le nouveau système portable, qui comprend une caméra compacte et un détecteur et peut fonctionner n'importe où avec une prise électrique, pourrait fournir une imagerie en temps réel lors de dépistages réguliers du cancer de la peau ou même lors d'interventions chirurgicales pour exciser les tissus cancéreux de la peau. Les cellules cancéreuses apparaissent « de façon très spectaculaire en térahertz » car elles ont des concentrations d'eau et de sang plus élevées que les cellules normales, dit Hu.

La technologie pourrait également être appliquée dans de nombreuses industries où la détection de corps étrangers dans un produit est nécessaire pour assurer sa sécurité et sa qualité.

Détection de gaz, médicaments, et les explosifs pourraient devenir particulièrement sophistiqués avec l'utilisation du rayonnement térahertz. Par exemple, composés tels que l'hydroxyde, un agent destructeur d'ozone, avoir une "empreinte digitale" spectrale spéciale dans la gamme de fréquences térahertz, tout comme les drogues, dont la méthamphétamine et l'héroïne, et des explosifs dont le TNT.

"Non seulement pouvons-nous voir des objets à travers des matériaux optiquement opaques, mais on peut aussi identifier les substances, " dit Hu.

Hu dit qu'il voit "un chemin clair" vers l'objectif de pouvoir générer un puissant térahertz sans avoir besoin d'un refroidisseur.

"Utiliser le schéma de phonons direct et des barrières plus hautes est la voie à suivre, " dit-il. " Je peux enfin voir la lumière au bout du tunnel quand nous atteindrons la température ambiante. "