La lumière térahertz à longue longueur d'onde est invisible - elle se situe à l'extrémité la plus éloignée de l'infrarouge lointain - mais elle est utile pour tout, de la détection d'explosifs à l'aéroport à la conception de médicaments en passant par le diagnostic du cancer de la peau. Maintenant, pour la première fois, des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie et de l'Université de Californie à Berkeley ont démontré un dispositif microscopique fait de graphène - la forme remarquable de carbone qui n'a qu'un atome d'épaisseur - dont la forte réponse à la lumière à des fréquences térahertz peut être réglé avec une précision exquise.

"Le cœur de notre appareil est un réseau composé de rubans de graphène d'à peine des millionièmes de mètre de large, " déclare Feng Wang de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, qui est également professeur adjoint de physique à l'UC Berkeley, et qui a dirigé l'équipe de recherche. « En faisant varier la largeur des rubans et la concentration en porteurs de charge en eux, nous pouvons contrôler les oscillations collectives des électrons dans les microrubans."

Le nom de ces oscillations collectives d'électrons est "plasmons, " un mot qui sonne abscons mais qui décrit des effets aussi familiers que les couleurs éclatantes des vitraux.

"Les plasmons dans la lumière visible à haute fréquence se produisent dans des nanostructures métalliques tridimensionnelles, " dit Wang. Les couleurs des vitraux médiévaux, par exemple, résultent de collections oscillantes d'électrons à la surface de nanoparticules d'or, le cuivre, et autres métaux, et dépendent de leur taille et de leur forme. "Mais le graphène n'a qu'un atome d'épaisseur, et ses électrons se déplacent dans seulement deux dimensions. Dans les systèmes 2D, les plasmons se produisent à des fréquences beaucoup plus basses."

La longueur d'onde du rayonnement térahertz se mesure en centaines de micromètres (millionièmes de mètre), pourtant, la largeur des rubans de graphène dans le dispositif expérimental n'est que de un à quatre micromètres chacun.

"Un matériau constitué de structures dont les dimensions sont bien inférieures à la longueur d'onde considérée, et qui présente des propriétés optiques nettement différentes du matériau massif, est appelé un métamatériau, " dit Wang. " Nous n'avons donc pas seulement fait les premières études de couplage de la lumière et des plasmons dans le graphène, nous avons également créé un prototype pour les futurs métamatériaux à base de graphène dans la gamme térahertz. »

L'équipe rapporte ses recherches dans Nature Nanotechnologie , disponible en publication avancée en ligne.

Comment pousser les plasmons

Dans le graphène bidimensionnel, les électrons ont une petite masse au repos et réagissent rapidement aux champs électriques. Un plasmon décrit l'oscillation collective de nombreux électrons, et sa fréquence dépend de la rapidité avec laquelle les vagues de cette mer d'électrons se déplacent entre les bords d'un microruban de graphène. Lorsque la lumière de la même fréquence est appliquée, le résultat est " l'excitation résonante, " une augmentation marquée de la force de l'oscillation - et une forte absorption simultanée de la lumière à cette fréquence. Étant donné que la fréquence des oscillations est déterminée par la largeur des rubans, varier leur largeur peut régler le système pour absorber différentes fréquences de lumière.

La force du couplage lumière-plasmon peut également être affectée par la concentration des porteurs de charge - les électrons et leurs homologues chargés positivement, des trous. Une caractéristique remarquable du graphène est que la concentration de ses porteurs de charge peut facilement être augmentée ou diminuée simplement en appliquant un champ électrique puissant, appelé dopage électrostatique.

Le dispositif Berkeley intègre ces deux méthodes pour régler la réponse à la lumière térahertz. Des réseaux de microrubans ont été fabriqués en déposant une couche de carbone de l'épaisseur d'un atome sur une feuille de cuivre, puis transférer la couche de graphène sur un substrat d'oxyde de silicium et graver des motifs de ruban à l'intérieur. Un gel ionique avec des points de contact pour faire varier la tension a été placé sur le graphène.

Le microréseau de graphène fermé a été illuminé avec un rayonnement térahertz sur la ligne de lumière 1.4 de la source de lumière avancée de Berkeley Lab, et des mesures de transmission ont été effectuées avec le spectromètre infrarouge de la ligne de lumière. De cette façon, l'équipe de recherche a démontré un couplage entre la lumière et les plasmons qui était plus fort d'un ordre de grandeur que dans d'autres systèmes 2D.

Une méthode finale de contrôle de la force du plasmon et de l'absorption térahertz dépend de la polarisation. La lumière qui brille dans la même direction que les rubans de graphène ne montre aucune variation d'absorption en fonction de la fréquence. Mais la lumière perpendiculaire aux rubans – la même orientation que la mer d'électrons oscillante – produit des pics d'absorption nets. Quoi de plus, absorption lumineuse dans les systèmes semi-conducteurs 2D conventionnels, comme les puits quantiques, ne peut être mesuré qu'à des températures proches du zéro absolu. L'équipe de Berkeley a mesuré des pics d'absorption importants à température ambiante.

"Le rayonnement térahertz couvre une gamme spectrale avec laquelle il est difficile de travailler, car jusqu'à présent il n'y avait pas d'outils, " dit Wang. " Nous avons maintenant les débuts d'un ensemble d'outils pour travailler dans cette gamme, potentiellement conduire à une variété de métamatériaux térahertz à base de graphène. »

Le dispositif expérimental de Berkeley n'est qu'un précurseur des appareils à venir, qui pourra contrôler la polarisation et modifier l'intensité de la lumière térahertz et activer d'autres composants optiques et électroniques, dans des applications allant de l'imagerie médicale à l'astronomie – le tout en deux dimensions.