Développement d’un nouveau système de matériaux pour convertir et générer des ondes térahertz – ScienceDaily

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Sur le spectre électromagnétique, la lumière térahertz se situe entre le rayonnement infrarouge et les micro-ondes. Il recèle un énorme potentiel pour les technologies de demain: entre autres, il pourrait réussir la 5G en permettant des connexions de communications mobiles et des réseaux sans fil extrêmement rapides. Le goulot d’étranglement dans la transition des fréquences gigahertz aux fréquences térahertz a été causé par des sources et des convertisseurs insuffisamment efficaces. Une équipe de recherche germano-espagnole avec la participation du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a maintenant développé un système de matériaux pour générer des impulsions térahertz beaucoup plus efficacement qu’auparavant. Il est à base de graphène, c’est-à-dire d’une feuille de carbone ultra-mince, revêtue d’une structure lamellaire métallique. Le groupe de recherche a présenté ses résultats dans la revue ACS Nano.

Il y a quelque temps, une équipe d’experts travaillant sur l’accélérateur HZDR ELBE a pu montrer que le graphène peut agir comme un multiplicateur de fréquence: lorsque le carbone bidimensionnel est irradié avec des impulsions lumineuses dans la gamme de fréquences térahertz faible, celles-ci sont fréquences. Jusqu’à présent, le problème était que des signaux d’entrée extrêmement puissants, qui à leur tour ne pouvaient être produits que par un accélérateur de particules à grande échelle, étaient nécessaires pour générer efficacement de telles impulsions térahertz. L’auteur principal de l’étude, Jan-Christoph Deinert, de l’Institut de physique des radiations du HZDR. “Nous avons donc recherché un système matériel qui fonctionne également avec une entrée beaucoup moins violente, c’est-à-dire avec des intensités de champ plus faibles.”

À cette fin, les scientifiques du HZDR, ainsi que des collègues de l’Institut catalan des nanosciences et nanotechnologies (ICN2), de l’Institut des sciences photoniques (ICFO), de l’Université de Bielefeld, de la TU Berlin et de l’Institut Max Planck de recherche sur les polymères, basé à Mayence, a eu une nouvelle idée: la conversion de fréquence pourrait être considérablement améliorée en revêtant le graphène de minuscules lamelles d’or, qui possèdent une propriété fascinante: «Elles agissent comme des antennes qui amplifient considérablement le rayonnement térahertz entrant dans le graphène», explique le coordinateur du projet Klaas- Jan Tielrooij de ICN2. “En conséquence, nous obtenons des champs très puissants où le graphène est exposé entre les lamelles. Cela nous permet de générer des impulsions térahertz très efficacement.”

Multiplication de fréquence étonnamment efficace

Pour tester l’idée, les membres de l’équipe d’ICN2 à Barcelone ont produit des échantillons: d’abord, ils ont appliqué une seule couche de graphène sur un support en verre. Sur le dessus, ils ont déposé en phase vapeur une couche isolante ultra-mince d’oxyde d’aluminium, suivie d’un treillis de bandes d’or. Les échantillons ont ensuite été prélevés à l’installation de térahertz TELBE à Dresde-Rossendorf, où ils ont été frappés par des impulsions lumineuses dans la gamme des térahertz bas (0,3 à 0,7 THz). Au cours de ce processus, les experts ont utilisé des détecteurs spéciaux pour analyser l’efficacité avec laquelle le graphène recouvert de lamelles d’or peut multiplier la fréquence du rayonnement incident.

“Cela a très bien fonctionné”, se réjouit Sergey Kovalev. Il est responsable de l’installation TELBE à HZDR. “Par rapport au graphène non traité, des signaux d’entrée beaucoup plus faibles ont suffi pour produire un signal multiplié en fréquence.” Exprimé en chiffres, un dixième seulement de l’intensité de champ requise à l’origine était suffisant pour observer la multiplication de fréquence. Et à de faibles intensités de champ technologiquement pertinentes, la puissance des impulsions térahertz converties est plus de mille fois plus forte grâce au nouveau système de matériaux. Plus les lamelles individuelles sont larges et plus les zones de graphène laissées exposées sont petites, plus le phénomène est prononcé. Au départ, les experts ont pu tripler les fréquences entrantes. Plus tard, ils ont atteint des effets encore plus importants – des augmentations de cinq fois, sept fois et même neuf fois de la fréquence d’entrée.

Compatible avec la technologie des puces

Cela offre une perspective très intéressante, car jusqu’à présent, les scientifiques avaient besoin de gros appareils complexes tels que des accélérateurs ou de gros lasers pour générer des ondes térahertz. Grâce au nouveau matériau, il pourrait également être possible de passer du gigahertz au térahertz uniquement avec des signaux d’entrée électriques, c’est-à-dire avec beaucoup moins d’effort. «Notre métamatériau à base de graphène serait tout à fait compatible avec la technologie actuelle des semi-conducteurs», souligne Deinert. “En principe, il pourrait être intégré dans des puces ordinaires.” Lui et son équipe ont prouvé la faisabilité du nouveau processus – maintenant la mise en œuvre dans des assemblages spécifiques peut devenir possible.

Les applications potentielles pourraient être vastes: puisque les ondes térahertz ont des fréquences plus élevées que les fréquences de communications mobiles gigahertz utilisées aujourd’hui, elles pourraient être utilisées pour transmettre beaucoup plus de données sans fil – la 5G deviendrait 6G. Mais la gamme térahertz présente également un intérêt pour d’autres domaines – du contrôle qualité dans l’industrie et des scanners de sécurité dans les aéroports à une grande variété d’applications scientifiques dans la recherche sur les matériaux, par exemple.

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