La capacité à contrôler les ondes infrarouges et térahertz à l'aide de champs magnétiques ou électriques est l'un des grands défis de la physique qui pourrait révolutionner l'opto-électronique, télécommunications et diagnostic médical. Une théorie de 2006 prédit qu'il devrait être possible d'utiliser du graphène - une couche monoatomique d'atomes de carbone - dans un champ magnétique non seulement pour absorber la lumière térahertz et infrarouge à la demande, mais aussi pour contrôler la direction de la polarisation circulaire. Chercheurs de l'Université de Genève (UNIGE), La Suisse, et l'Université de Manchester ont réussi à tester cette théorie et obtenu les résultats escomptés. L'étude, à paraître dans la revue Nature Nanotechnologie , montre que les scientifiques ont trouvé un moyen efficace de contrôler les ondes infrarouges et térahertz. Cela montre également que le graphène tient ses promesses initiales, et s'impose comme la matière du futur, que ce soit sur terre ou dans l'espace.

"Il existe une classe des matériaux dits de Dirac, où les électrons se comportent comme s'ils n'avaient pas de masse, semblable aux particules légères, les photons, " explique Alexeï Kouzmenko, chercheur au Département de physique de la matière quantique de la Faculté des sciences de l'UNIGE, qui a mené cette recherche avec Ievgeniia Nedoliuk. L'un de ces matériaux Dirac est le graphène, une monocouche d'atomes de carbone disposés en structure alvéolaire, liés au graphite utilisé pour fabriquer des crayons.

L'interaction entre le graphène et la lumière suggère que ce matériau pourrait être utilisé pour contrôler les ondes infrarouges et térahertz. "Ce serait un grand pas en avant pour l'optoélectronique, Sécurité, télécommunications et diagnostic médical, », précise le chercheur genevois.

Sauvegarder une vieille théorie par l'expérimentation

Une prédiction théorique de 2006 postulait que si un matériau Dirac est placé dans un champ magnétique, il produira une très forte résonance cyclotron. "Quand une particule chargée est dans le champ magnétique, il se déplace sur une orbite circulaire et absorbe l'énergie électromagnétique à l'orbite, ou cyclotron, la fréquence, comme par exemple, cela se passe dans le Grand collisionneur de hadrons du CERN, " explique Alexey Kuzmenko. " Et quand les particules ont une charge mais pas de masse, sous forme d'électrons dans le graphène, l'absorption de la lumière est à son maximum !"

Pour démontrer cette absorption maximale, les physiciens avaient besoin d'un graphène très pur pour que les électrons voyageant sur de longues distances ne se dispersent pas sur des impuretés ou des défauts cristallins. Mais ce niveau de pureté et cet ordre de maille sont très difficiles à obtenir et ne sont atteints que lorsque le graphène est encapsulé dans un autre matériau bidimensionnel, le nitrure de bore.

Les chercheurs de l'UNIGE se sont associés au groupe de l'Université de Manchester dirigé par André Geim, prix Nobel de physique 2010 pour la découverte du graphène, pour développer des échantillons de graphène extrêmement purs. Ces échantillons, qui étaient exceptionnellement grandes pour ce type de graphène, étaient néanmoins trop petits pour quantifier la résonance cyclotron avec des techniques bien établies. C'est pourquoi les chercheurs genevois ont construit un dispositif expérimental spécial pour concentrer le rayonnement infrarouge et térahertz sur de petits échantillons de graphène pur dans le champ magnétique. "Et le résultat de l'expérience a confirmé la théorie de 2006 !" ajoute Alexey Kuzmenko.

Polarisation personnalisée

Les résultats ont démontré pour la première fois qu'un effet magnéto-optique colossal se produit effectivement si une couche de graphène pur est utilisée. "La magnéto-absorption maximale possible de la lumière infrarouge est maintenant réalisée dans une couche monoatomique, " dit Kouzmenko.

En outre, les physiciens ont découvert qu'il était possible de choisir quelle polarisation circulaire – gauche ou droite – devait être absorbée. "Le graphène naturel ou intrinsèque est électriquement neutre et absorbe toute la lumière, quelle que soit sa polarisation. Mais si nous introduisons des porteurs chargés électriquement, soit positif soit négatif, on peut choisir quelle polarisation est absorbée, et cela fonctionne à la fois dans les gammes infrarouge et térahertz, " poursuit le scientifique. Cette capacité joue un rôle crucial, surtout en pharmacie, où certaines molécules médicamenteuses clés interagissent avec la lumière en fonction de la direction de polarisation. De façon intéressante, ce contrôle est considéré comme prometteur pour la recherche de vie sur les exoplanètes, puisqu'il est possible d'observer les signatures de la chiralité moléculaire inhérente à la matière biologique.

Finalement, les physiciens ont constaté que pour observer un effet fort dans la gamme térahertz, il suffit d'appliquer des champs magnétiques, qui pourraient déjà être générés par des aimants permanents peu coûteux. Maintenant que la théorie est confirmée, les chercheurs continueront à travailler sur des sources et des détecteurs réglables magnétiquement de lumière térahertz et infrarouge. Le graphène continue de les surprendre.