De nouvelles recherches à l'Université du Maryland pourraient conduire à une génération de détecteurs de lumière capables de voir sous la surface des corps, des murs, et autres objets. En utilisant les propriétés spéciales du graphène, une forme bidimensionnelle de carbone qui n'a qu'un atome d'épaisseur, un prototype de détecteur est capable de voir une bande de longueurs d'onde extraordinairement large. Cette gamme comprend une bande de longueurs d'onde lumineuses qui ont des applications potentielles intéressantes mais sont notoirement difficiles à détecter :ondes térahertz, qui sont invisibles à l'œil humain.

Un document de recherche sur le nouveau détecteur a été publié dimanche, 07 septembre, 2014 en Nature Nanotechnologie . Auteur principal Xinghan Cai, un étudiant diplômé en physique de l'Université du Maryland, a déclaré qu'un détecteur comme le prototype des chercheurs "pourrait trouver des applications dans les domaines térahertz émergents tels que les communications mobiles, l'imagerie médicale, détection chimique, vision nocturne, et la sécurité."

La lumière que nous voyons éclairer les objets du quotidien n'est en fait qu'une bande très étroite de longueurs d'onde et de fréquences. Les grandes longueurs d'onde et les basses fréquences des ondes lumineuses térahertz se situent entre les micro-ondes et les ondes infrarouges. La lumière dans ces longueurs d'onde térahertz peut traverser des matériaux que nous considérons normalement comme opaques, comme la peau, plastiques, Vêtements, et carton. Il peut également être utilisé pour identifier des signatures chimiques émises uniquement dans la gamme térahertz.

Peu d'applications technologiques pour la détection térahertz sont actuellement réalisées, cependant, en partie parce qu'il est difficile de détecter les ondes lumineuses dans cette gamme. Afin de maintenir la sensibilité, la plupart des détecteurs doivent être maintenus extrêmement froids, environ 4 Kelvin, ou -452 degrés Fahrenheit. Les détecteurs existants qui fonctionnent à température ambiante sont encombrants, lent, et d'un coût prohibitif.

Le nouveau détecteur de température ambiante, développé par l'équipe de l'Université du Maryland et des collègues du U.S. Naval Research Lab et de l'Université Monash, Australie, contourne ces problèmes en utilisant le graphène, une seule couche d'atomes de carbone interconnectés. En utilisant les propriétés spéciales du graphène, l'équipe de recherche a pu augmenter la vitesse et maintenir la sensibilité de la détection des ondes de température ambiante dans la gamme des térahertz.

En utilisant un nouveau principe de fonctionnement appelé « effet photothermoélectrique à électrons chauds, " l'équipe de recherche a créé un appareil qui est " aussi sensible que n'importe quel détecteur de température ambiante existant dans la gamme térahertz et plus d'un million de fois plus rapide, " dit Michael Führer, professeur de physique à l'Université du Maryland et à l'Université Monash, Australie.

Graphène, une feuille de carbone pur d'un seul atome d'épaisseur, est particulièrement adapté à une utilisation dans un détecteur térahertz car lorsque la lumière est absorbée par les électrons suspendus dans le réseau en nid d'abeille du graphène, ils ne perdent pas leur chaleur au réseau mais retiennent plutôt cette énergie.

Le concept derrière le détecteur est simple, déclare Dennis Drew, professeur de physique à l'Université du Maryland. "La lumière est absorbée par les électrons du graphène, qui chauffent mais ne perdent pas facilement leur énergie. Ils restent donc chauds tandis que le réseau atomique de carbone reste froid. » Ces électrons chauffés s'échappent du graphène par des conducteurs électriques, un peu comme la vapeur s'échappant d'une bouilloire. Le prototype utilise deux fils électriques faits de métaux différents, qui conduisent les électrons à des vitesses différentes. En raison de cette différence de conductivité, plus d'électrons s'échapperont par l'un que par l'autre, produire un signal électrique.

Ce signal électrique détecte la présence d'ondes térahertz sous la surface de matériaux qui semblent opaques à l'œil humain – ou même aux rayons X. Vous ne pouvez pas voir à travers votre peau, par exemple, et une radiographie traverse la peau jusqu'à l'os, manquant entièrement les couches juste sous la surface de la peau. Les ondes térahertz voient l'entre-deux. La vitesse et la sensibilité du détecteur de température ambiante présenté dans cette recherche ouvrent la porte à de futures découvertes dans cette zone intermédiaire.