L'effet photoélectrique conventionnel (externe) dans un milieu conducteur. (a) La géométrie d'une expérience typique. (b) La structure de la bande et le processus d'absorption des photons :Vmet et Vvac sont les fonds des bandes de conduction dans un métal et dans le vide; EF est l'énergie de Fermi des électrons dans le métal. ϕ=Vvac −EF>0 est la fonction de travail. (c) La dynamique du processus de photoexcitation :à l'incidence normale du rayonnement, les électrons acquièrent une quantité de mouvement px parallèles à la surface, tandis que pour s'échapper du matériau, ils ont besoin d'une composante de quantité de mouvement pz perpendiculaire à l'interface matériau-vide (représentée par le trait magenta épais). Les électrons peuvent obtenir la quantité de mouvement pz après quelques événements de diffusion dans le métal ou sous incidence oblique de rayonnement. Crédit :Examen physique B (2022). DOI : 10.1103/PhysRevB.106.075411
La détection des ondes électromagnétiques dans la gamme de fréquences térahertz reste un problème difficile. Des chercheurs de l'Université de Cambridge, en collaboration avec des physiciens de l'Université d'Augsbourg, ont récemment découvert un nouvel effet physique qui pourrait changer cela. Dans une nouvelle étude, les scientifiques développent maintenant une théorie expliquant le mécanisme sous-jacent. Leurs découvertes permettent de construire de petits détecteurs térahertz peu coûteux et très sensibles. Ceux-ci pourraient être utilisés, par exemple, dans les diagnostics médicaux, pour les contrôles de sécurité sans contact ou pour une transmission de données sans fil plus rapide. Les résultats de la nouvelle théorie ont été publiés dans la revue Physical Review B .
Lorsque les rayons X ou les rayons UV tombent sur une surface métallique, ils expulsent les électrons du matériau. Cet "effet photoélectrique" peut constituer la base de détecteurs détectant la présence d'ondes électromagnétiques.
Sous une forme légèrement modifiée, un effet similaire est utilisé dans les puces d'enregistrement des appareils photo numériques ou dans les cellules solaires. Ceux-ci réagissent à la lumière visible et infrarouge. Cependant, son énergie est nettement inférieure à celle du rayonnement UV et est donc insuffisante pour libérer des électrons du matériau. Au lieu de cela, le rayonnement peut modifier les propriétés électriques des structures semi-conductrices, qui sont généralement de mauvais conducteurs. Lorsqu'ils sont exposés à la lumière, en revanche, ils deviennent conducteurs ou peuvent même générer des tensions.
L'énergie du rayonnement térahertz est encore plus faible que celle de la lumière visible ou infrarouge. Le rayonnement THz ne fournit généralement pas assez d'énergie même pour exciter les électrons dans les semi-conducteurs. Il existe actuellement plusieurs types de détecteurs de rayonnement térahertz, mais des détecteurs THz plus efficaces, bon marché et compacts sont toujours nécessaires. Par conséquent, les chercheurs continuent de rechercher des principes physiques alternatifs pour détecter le rayonnement térahertz.
"Récemment, avec des collègues du Royaume-Uni, nous avons découvert un nouvel effet physique qui permet la construction de détecteurs très sensibles", explique le Dr Sergey Mikhailov de l'Institut de physique de l'Université d'Augsbourg. "Il est basé sur des matériaux semi-conducteurs avec un gaz d'électrons bidimensionnel - une fine couche conductrice qui se forme sous la surface du semi-conducteur. Dans certaines conditions, un type d'effet photoélectrique peut être observé même à des fréquences térahertz dans une telle structure. Lorsque ce semi-conducteur est éclairée par des ondes électromagnétiques, un courant est généré dans le gaz d'électrons bidimensionnel dans une direction parallèle à la surface du semi-conducteur."
Dans leurs travaux actuels, les chercheurs ont développé une théorie de cet "effet photoélectrique dans le plan" qui explique plus en détail le mécanisme. Diverses prédictions peuvent être dérivées de leurs résultats. Par exemple, en fonction de l'effet, il devrait être possible de construire des détecteurs sensibles à toute la gamme des térahertz (rayonnements de fréquences comprises entre 0,1 et 10 térahertz ou de longueurs d'onde comprises entre 3 et 0,03 millimètres). "C'est un domaine où tout nouveau mécanisme de détection est d'une grande valeur", déclare Mikhailov. Théoriquement, il devrait également être possible de construire des détecteurs qui réagissent à de très faibles intensités de rayonnement.
Ceux-ci pourraient être utilisés dans diverses applications. Par exemple, les cellules cancéreuses de la peau pourraient facilement être détectées à l'aide d'un rayonnement térahertz. De tels détecteurs pourraient également être utilisés pour trouver les plus petites quantités de drogue ou de matériel explosif aux points de contrôle de sécurité. De plus, les ondes térahertz oscillent d'avant en arrière plus rapidement que le rayonnement électromagnétique actuellement utilisé dans les communications mobiles. Pour cette raison, ils peuvent transmettre beaucoup plus d'informations dans le même laps de temps. Les nouveaux détecteurs pourraient donc donner un coup de fouet à la vitesse de l'Internet mobile. Un pas de plus vers l'utilisation de la technologie térahertz dans le monde réel
