Un métamatériau pour l'ère du térahertz
Des matériaux quantiques sur mesure comme amplificateur de fréquence à haute efficacité
Une équipe de recherche internationale, composée de scientifiques du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), de l'Institut catalan des nanosciences et des nanotechnologies et de la JMU Würzburg, a trouvé un moyen de générer un rayonnement térahertz par conversion de fréquence beaucoup plus efficace qu'avec les technologies précédentes. Un système de matériaux quantiques spécialement construit agit comme un amplificateur de fréquence à haute efficacité.
Une impulsion basse fréquence de 500 GHz (rouge) frappe le métamatériau : un isolant topologique avec des structures en or. À la surface de l'échantillon, de nouvelles ondes térahertz sont générées avec un multiple de la fréquence d'entrée (jaune).
© WERKSTATT X / HZDR
Les ondes térahertz sont des ondes électromagnétiques à haute fréquence situées entre les gammes des micro-ondes et des infrarouges. À l'avenir, elles pourraient accélérer les applications optoélectroniques et supplanter les technologies gigahertz actuelles dans le domaine des communications. Avec des fréquences d'horloge mille fois plus élevées, la gamme térahertz facilite le transfert de données extrêmement rapide et pourrait servir de base aux réseaux de communication mobile de sixième génération. Mais avant cela, il y a des obstacles techniques à surmonter. La gamme térahertz n'a pas encore fait l'objet de recherches suffisantes : il manque des composants appropriés ; à l'heure actuelle, de nombreux systèmes ne peuvent être utilisés dans leur forme actuelle que dans des laboratoires spéciaux et en combinaison avec des lasers à haute performance. Les chercheurs étudient donc des solutions pratiques.
"La gamme de fréquences térahertz est précisément la frontière de l'électronique ultrarapide dans laquelle de nombreux phénomènes quantiques à peine explorés deviennent pertinents. Pour les nouveaux composants optoélectroniques, nous devons d'abord déterminer quels matériaux et quelles méthodes sont adaptés", explique Sergey Kovalev, chef de groupe à l'installation térahertz TELBE de l'Institut de physique des rayonnements du HZDR, qui était responsable des expériences. La source TELBE est conçue pour l'étude de nouveaux matériaux et de leurs interactions avec des impulsions térahertz intenses.
Une puissance cent fois supérieure
Certains matériaux quantiques sont particulièrement prometteurs car ils peuvent être utilisés comme une sorte de booster de fréquence pour convertir le rayonnement gigahertz généré électroniquement dans la gamme térahertz voisine. Ce résultat est obtenu par une interaction non linéaire à haut rendement entre la lumière et la matière : le fort champ électrique de l'impulsion gigahertz intensive accélère les électrons libres de la matière qui, à leur tour, émettent des impulsions lumineuses à haute fréquence. Le problème jusqu'à présent était que l'irradiation très intensive faisait perdre aux matériaux la quasi-totalité de leur puissance dans le processus d'accélération.
Grâce à un nouveau système de matériaux, l'équipe de recherche a réussi à convertir une partie importante du rayonnement gigahertz intense - le rayonnement entrant avait une fréquence de 500 gigahertz (GHz) - dans la gamme des térahertz. Pour ce faire, ils ont combiné un isolant topologique avec des structures en or, créant ainsi un métamatériau, c'est-à-dire un matériau avec une structure sur mesure caractérisée par des propriétés optiques, électriques ou magnétiques particulières. Ils ont ainsi obtenu une efficacité de conversion de près de dix pour cent de l'intensité du champ électrique, contre environ un pour cent auparavant.
Électronique 2D, refroidissement 3D
"Nous avons commencé par utiliser le graphène parce qu'il possède une structure électronique particulière qui permet d'accélérer les électrons de manière très efficace. Mais nous avons ensuite observé qu'à des intensités élevées, le graphène atteint ses limites", explique Jan-Christoph Deinert, co-auteur de l'étude, qui est également responsable de la source térahertz TELBE. Le graphène ultrafin est composé d'une seule couche d'atomes de carbone. Lorsqu'une impulsion giga- ou térahertz frappe le matériau, le système électronique s'échauffe immédiatement à plusieurs milliers de degrés Celsius. Dans cet état chaud, cependant, le graphène devient transparent pour le rayonnement entrant. Pour pouvoir interagir et convertir les signaux, le matériau doit se refroidir, et ce en l'espace d'un trillionième de seconde, soit la période d'oscillation du champ térahertz. Sinon, le signal se perd dans l'intervalle.
Comme les électrons chauds du graphène n'ont pas suffisamment d'occasions de se débarrasser de leur chaleur excessive, les chercheurs ont ensuite testé le prototype d'isolant topologique qu'est le séléniure de bismuth. À l'intérieur, les isolants topologiques ne conduisent pas les courants électriques, tandis que les électrons ne peuvent se déplacer librement qu'en surface. À l'instar du graphène, la conversion du signal électronique s'effectue donc en deux dimensions, exclusivement sur la couche la plus superficielle. Contrairement au graphène, la chaleur électronique peut être émise très rapidement grâce à l'interaction interne quasi instantanée avec les électrons dans la masse du matériau. Il en résulte un refroidissement rapide en 3D au lieu d'une accumulation de chaleur en 2D.
"Même à température ambiante, le système est extrêmement efficace. Et nous n'avons pas encore atteint les limites : nous pouvons probablement même augmenter les performances pour des intensités plus élevées", estime le Dr Georgy Astakhov, chef du département des matériaux et technologies quantiques à l'Institut de physique des faisceaux d'ions et de recherche sur les matériaux du HZDR et l'un des initiateurs de l'étude.
Un "Lego matériel" pour atteindre des performances optimales
Les fortes intensités de rayonnement sur l'échantillon sont obtenues par le dépôt en phase vapeur d'or sur les isolants topologiques. Telles de petites antennes, ils renforcent localement les champs électriques entrants. "Nous avions déjà utilisé cette approche sur le graphène. Maintenant, nous combinons les structures d'antennes avec des isolants topologiques. C'est un peu comme un Lego matériel", explique Klaas-Jan Tielrooij, dont l'équipe à Barcelone applique les structures en or. Les isolants topologiques ont été cultivés dans des laboratoires spécialisés de Würzburg, dans le cadre d'une collaboration avec le pôle d'excellence ct.qmat qui étudie les nouveaux matériaux et les phénomènes quantiques exotiques.
La prochaine étape que les chercheurs souhaitent franchir consiste à optimiser les prototypes de métamatériaux nouvellement construits : ils veulent mieux comprendre quels sont les paramètres décisifs, jusqu'à quelle intensité de rayonnement le processus fonctionne et si le graphène et les isolants topologiques peuvent être combinés de manière fonctionnelle. Surtout, ils veulent continuer à améliorer le système en tenant compte des applications possibles et en testant des conditions réalistes pour qu'un jour, ils puissent être intégrés dans la technologie courante des semi-conducteurs.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
K.-J. Tielrooij, A. Principi, D. S. Reig, A. Block, S. Varghese, S. Schreyeck, K. Brunner, G. Karczewski, I. Ilyakov, O. Ponomaryov, T. V. A. G. de Oliveira, M. Chen, J.-C. Deinert, C. G. Carbonell, S. O. Valenzuela, L. W. Molenkamp, T. Kiessling, G. V. Astakhov, S. Kovalev: "Milliwatt terahertz harmonic generation from topological insulator metamaterials"; Light: Science & Applications, 2022.
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