Travailler dans la gamme térahertz (THz) offre des opportunités uniques dans diverses applications, notamment l'imagerie biomédicale, les télécommunications et les systèmes de détection avancés. Cependant, en raison des propriétés uniques des ondes électromagnétiques dans la plage de 0,1 à 10 THz, il s'est avéré difficile de développer des composants hautes performances qui mettent en valeur le véritable potentiel de la technologie THz. Même la conception d'éléments de base et essentiels comme les filtres et les absorbeurs reste un défi de taille.

Heureusement, l’essor des métamatériaux pourrait conduire à des moyens innovants de résoudre ces problèmes. Grâce aux progrès des technologies de fabrication et de traitement, il est désormais possible de créer des microstructures à motifs bidimensionnels (2D) avec des propriétés électromagnétiques uniques dans la gamme THz, offrant un contrôle sans précédent sur les signaux à ces fréquences.

Bien que divers absorbeurs de métamatériaux 2D (ou « métasurface ») aient été proposés, la plupart d'entre eux souffrent encore de sérieuses limitations. Un problème courant est qu’une fois le modèle structurel d’un absorbeur métasurface déterminé et fabriqué, ses performances électromagnétiques deviennent fixes. Ce manque de réglage limite les applications possibles de tels appareils.

D’un autre côté, bien qu’il existe des absorbeurs de métasurface à base de métal réglables, l’utilisation de fines couches métalliques est déconseillée. Cela est dû à plusieurs inconvénients, tels que la difficulté de fabriquer les structures nécessaires et les performances médiocres causées par les caractéristiques inhérentes des métaux.

Dans ce contexte, une équipe de recherche chinoise a développé un nouvel absorbeur métasurface réglable à base de carbone avec une bande passante ultra large et réglable dans la gamme THz. Leur étude, dirigée par le Dr Wenhan Cao de l'Université ShanghaiTech, a été publiée dans Advanced Photonics Nexus. .

L'absorbeur proposé est centré sur l'utilisation de microstructures de graphène et de graphite comme résonateurs et d'une couche de graphite comme surface rétroréfléchissante. "La sous-unité répétitive, ou 'cellule unitaire', dans cet absorbeur de métasurface THz a été stratégiquement conçue pour optimiser l'efficacité de l'absorption principalement sur la base de quatre facteurs :la géométrie, les propriétés des matériaux, la sensibilité à la polarisation et les mécanismes de réglage", explique Cao.

En termes de géométrie, l'absorbeur comprend trois couches minces. La couche supérieure est une couche conductrice à motifs contenant un arrangement d'anneaux de graphite concentriques interconnectés par des fils de graphène, tandis que la seconde est un simple diélectrique qui aide à dissiper les ondes électromagnétiques indésirables. Enfin, la troisième couche est une couche d'absorption qui empêche les ondes THz de se transmettre à travers l'appareil, maximisant ainsi l'efficacité de l'absorption.

La sélection des matériaux et la conception géométrique de l'absorbeur, optimisée grâce à des analyses numériques et des simulations, contribuent à son absorption remarquable dans la gamme THz. Notamment, une caractéristique clé de l’absorbeur proposé est sa capacité de réglage, qui découle d’un niveau de Fermi réglable. Ce paramètre est essentiel dans la technologie des matériaux et des semi-conducteurs car il détermine la répartition des électrons à différents niveaux d'énergie.

En appliquant une tension à la couche de graphène, il est possible de modifier son niveau de Fermi, ce qui permet d'affiner facilement la bande passante d'absorption.

"À un niveau de Fermi de 1 eV, l'absorbeur proposé peut atteindre une bande passante incroyablement large de 8,99 THz, offrant une absorption de plus de 90 % dans la plage de fréquences de 7,24 à 16,23 THz, avec deux pics de résonance distincts à 8,35 THz et 14,70 THz." » ajouta Cao.

Un autre avantage notable de la conception proposée est sa remarquable insensibilité à l’angle de polarisation du rayonnement incident. Cette propriété favorable découle naturellement de l'utilisation d'anneaux concentriques dans la cellule unitaire de l'absorbeur. Le cercle, en tant que forme parfaitement symétrique, permet à l'absorbeur de maintenir un taux d'absorption élevé à des angles d'incidence allant jusqu'à 50°.

Dans l'ensemble, les nombreux avantages du design proposé, combinés à son élégante simplicité, représentent une véritable avancée dans la technologie THz.

"L'absorbeur proposé fournit une structure ultra-mince et simple sans métal avec une bande passante d'absorption large et réglable à faible épaisseur, ce qui améliore considérablement son applicabilité. Ces avantages vont au-delà de ceux des autres absorbeurs rapportés", a déclaré Cao.

Bientôt, les appareils THz pourraient faire partie de la technologie quotidienne, en particulier dans des domaines tels que la médecine et les communications, ainsi que dans des domaines plus axés sur la recherche, comme la science des matériaux et la biologie.

Plus d'informations : Aiqiang Nie et al, Absorbeur de métasurface térahertz réglable à ultra-large bande à base de carbone, Advanced Photonics Nexus (2024). DOI :10.1117/1.APN.3.1.016007

Fourni par SPIE