Les ondes térahertz (THz) se situent entre les rayonnements micro-ondes et infrarouges dans le spectre électromagnétique, oscillant à des fréquences comprises entre 100 milliards et 30 000 milliards de cycles par seconde. Ces ondes sont appréciées pour leurs propriétés distinctives :elles peuvent pénétrer le papier, Vêtements, bois et murs, ainsi que détecter la pollution de l'air. Les sources THz pourraient révolutionner les systèmes de sécurité et d'imagerie médicale. Quoi de plus, leur capacité à transporter de grandes quantités de données pourrait être la clé de communications sans fil plus rapides.

Les ondes THz sont un type de rayonnement non ionisant, ce qui signifie qu'ils ne présentent aucun risque pour la santé humaine. La technologie est déjà utilisée dans certains aéroports pour scanner les passagers et détecter les objets et substances dangereux.

Malgré de grandes promesses, Les ondes THz ne sont pas largement utilisées car elles sont coûteuses et lourdes à générer. Mais une nouvelle technologie développée par des chercheurs de l'EPFL pourrait changer tout cela. L'équipe du Laboratoire de recherche en électronique de puissance et large bande interdite (POWERlab), dirigé par le Pr. Elison Matioli, construit un nanodispositif capable de générer des signaux de très haute puissance en quelques picosecondes, ou un billionième de seconde, qui produit des ondes THz de haute puissance.

La technologie, qui peut être monté sur une puce ou un support souple, pourrait un jour être installé dans les smartphones et autres appareils portables. L'ouvrage rédigé pour la première fois par Mohammad Samizadeh Nikoo, un doctorat étudiant au POWERlab, a été publié dans la revue La nature .

Comment ça fonctionne

Le compact, peu coûteux, nanodispositif entièrement électrique génère des ondes de haute intensité à partir d'une source minuscule en un rien de temps. Il fonctionne en produisant une puissante "étincelle, " avec un pic de tension de 10 V (ou moins) à 100 V dans la plage d'une picoseconde. L'appareil est capable de générer cette étincelle presque en continu, ce qui signifie qu'il peut émettre jusqu'à 50 millions de signaux par seconde. Lorsqu'il est connecté à des antennes, le système peut produire et émettre des ondes THz de haute puissance.

Le dispositif se compose de deux plaques métalliques situées très près l'une de l'autre, jusqu'à 20 nanomètres de distance. Lorsqu'une tension est appliquée, les électrons se dirigent vers l'une des plaques, où ils forment un nanoplasma. Une fois que la tension atteint un certain seuil, les électrons sont émis presque instantanément vers la seconde plaque. Ce mouvement rapide permis par de tels commutateurs rapides crée une impulsion de haute intensité qui produit des ondes à haute fréquence.

Les appareils électroniques conventionnels ne sont capables de commuter qu'à des vitesses allant jusqu'à un volt par picoseconde, ce qui est trop lent pour produire des ondes THz de haute puissance.

Le nouveau nanodispositif, qui peut être plus de dix fois plus rapide, peut générer à la fois des impulsions à haute énergie et à haute fréquence. "Normalement, il est impossible d'atteindre des valeurs élevées pour les deux variables, " dit Matioli. " Les dispositifs semi-conducteurs à haute fréquence sont de taille nanométrique. Ils ne peuvent supporter que quelques volts avant d'éclater. Appareils haute puissance, pendant ce temps, sont trop gros et lents pour générer des ondes térahertz. Notre solution était de revisiter l'ancien domaine du plasma avec des techniques de fabrication à l'échelle nanométrique de pointe pour proposer un nouveau dispositif permettant de contourner ces contraintes. »

Selon Matoli, le nouveau dispositif pousse toutes les variables à l'extrême :« Haute fréquence, haute puissance et nano-échelle ne sont pas des termes que vous entendez normalement dans la même phrase."

« Ces nanodispositifs, d'un côté, apporter un niveau extrêmement élevé de simplicité et de faible coût, et de l'autre côté, montrer une excellente performance. En outre, ils peuvent être intégrés à d'autres appareils électroniques tels que des transistors. Compte tenu de ces propriétés uniques, le nanoplasma peut façonner un avenir différent pour le domaine de l'électronique ultra-rapide, " dit Samizadeh.

La technologie pourrait avoir de nombreuses applications au-delà de la génération d'ondes THz. "Nous sommes presque sûrs qu'il y aura d'autres applications innovantes à venir, " ajoute Matioli.