Les chercheurs de l’Université Rice ont identifié un moyen d’utiliser le « nouvel écart térahertz » en utilisant le titanate de strontium, permettant le développement de technologies optiques innovantes dans la gamme 3-19 térahertz. Cette découverte pourrait conduire à des progrès dans les matériaux quantiques et les diagnostics médicaux.
Les propriétés de l’oxyde métallique pourraient permettre une large gamme de photoniques à fréquence térahertz.
La lumière visible ne représente qu’une fraction du spectre électromagnétique, et la manipulation des ondes lumineuses à des fréquences dépassant la vision humaine a permis l’utilisation de technologies telles que les téléphones portables et les tomodensitomètres.
Les chercheurs de l’Université Rice ont un plan pour exploiter une partie du spectre jusqu’alors inutilisée.
Sur la photo, trois échantillons de concentrateurs de champ térahertz ultrarapides fabriqués par l’étudiant diplômé Rui Xu au laboratoire des matériaux quantiques et ultrarapides émergents de l’Université Rice. Les couches inférieures (visibles sous forme de carrés blancs) sont constituées de titanate de strontium avec des structures de concentration – des réseaux microscopiques d’anneaux concentriques qui concentrent les fréquences térahertz de la lumière infrarouge – modelées sur leurs surfaces. Les réseaux sont visibles au microscope (en médaillon) mais ont l’apparence d’un motif de points à grain fin lorsqu’ils sont observés à l’œil nu. Crédit : Photo de Gustavo Raskosky/encadré ajouté par Rui Xu/Université de Rice
Identifier l’écart dans le spectre
« Il existe un écart notable dans la lumière infrarouge moyenne et lointaine, soit des fréquences de 5 à 15 térahertz et des longueurs d’onde allant de 20 à 60 micromètres, pour lesquelles il n’existe pas de bons produits commerciaux par rapport aux fréquences optiques plus élevées et aux fréquences radio plus basses. » a déclaré Rui Xu, doctorant de troisième année à Rice et auteur principal d’un article publié récemment dans la revue Matériaux avancés.
La recherche a été réalisée dans le laboratoire des matériaux quantiques et ultrarapides émergents du co-auteur Hanyu Zhu, titulaire de la chaire William Marsh Rice et professeur adjoint de science des matériaux et de nano-ingénierie.
Illustration d’une lentille paraélectrique quantique (coupe transversale) qui focalise les impulsions lumineuses avec des fréquences comprises entre 5 et 15 térahertz. Les impulsions lumineuses térahertz entrantes (rouge, en haut à gauche) sont converties en phonons-polaritons de surface (triangles jaunes) par des réseaux polymères en forme d’anneau et des résonateurs à disque (gris) au sommet d’un substrat de titanate de strontium (bleu). La largeur des triangles jaunes représente le champ électrique croissant des polaritons phonons à mesure qu’ils se propagent à travers chaque intervalle de réseau avant d’atteindre le disque résonateur qui concentre et améliore la lumière sortante (rouge, en haut à droite). Un modèle de la structure atomique d’une molécule de titanate de strontium en bas à gauche représente le mouvement des atomes de titane (bleu), d’oxygène (rouge) et de strontium (vert) dans le mode d’oscillation phonon-polariton. Crédit : Image fournie par le laboratoire Zhu/Université Rice
L’importance et les défis de l’écart térahertz
« Les technologies optiques dans cette région de fréquence – parfois appelée « le nouvel écart térahertz » car elle est beaucoup moins accessible que le reste de l’« écart » de 0,3 à 30 térahertz – pourraient être très utiles pour étudier et développer des matériaux quantiques pour l’électronique quantique plus proche de température ambiante, ainsi que la détection de groupes fonctionnels dans les biomolécules pour le diagnostic médical », a déclaré Zhu.
Le défi auquel les chercheurs ont été confrontés a été d’identifier les matériaux appropriés pour transporter et traiter la lumière dans le « nouvel espace térahertz ». Cette lumière interagit fortement avec les structures atomiques de la plupart des matériaux et est rapidement absorbée par celles-ci.
Rui Xu, étudiant en science des matériaux et en nano-ingénierie à l’Université Rice, est l’un des principaux auteurs d’une étude qui montre que le titanate de strontium a le potentiel de permettre des dispositifs photoniques efficaces à des fréquences comprises entre 3 et 19 térahertz. Crédit : Photo de Gustavo Raskosky/Université de Rice
Titanate de strontium et paraélectricité quantique
Le groupe de Zhu a tiré parti de la forte interaction avec le titanate de strontium, un oxyde de strontium et de titane.
« Ses atomes se couplent si fortement à la lumière térahertz qu’ils forment de nouvelles particules appelées phonons-polaritons, qui sont confinées à la surface du matériau et ne sont pas perdues à l’intérieur », a déclaré Xu.
Contrairement à d’autres matériaux qui supportent les polaritons des phonons dans des fréquences plus élevées et généralement dans une plage étroite, le titanate de strontium fonctionne sur l’ensemble de l’intervalle de 5 à 15 térahertz en raison d’une propriété appelée paraélectricité quantique. Ses atomes présentent d’importantes fluctuations quantiques et vibrent de manière aléatoire, capturant ainsi efficacement la lumière sans être auto-piégés par la lumière capturée, même à zéro degré Kelvin.
« Nous avons prouvé le concept de dispositifs phonon-polariton au titanate de strontium dans la gamme de fréquences de 7 à 13 térahertz en concevant et en fabriquant des concentrateurs de champ ultrarapides », a déclaré Xu. « Les appareils compressent l’impulsion lumineuse dans un volume inférieur à la longueur d’onde de la lumière et maintiennent une courte durée. Ainsi, nous obtenons un fort champ électrique transitoire de près d’un gigavolt par mètre.
Hanyu Zhu est titulaire de la chaire William Marsh Rice et professeur adjoint de science des matériaux et de nano-ingénierie à l’Université Rice. Crédit : Photo de Jeff Fitlow/Rice University
Implications et applications futures
Le champ électrique est si puissant qu’il peut être utilisé pour modifier la structure des matériaux afin de créer de nouvelles propriétés électroniques ou pour créer une nouvelle réponse optique non linéaire à partir de traces de molécules spécifiques pouvant être détectées par un microscope optique commun. Zhu a déclaré que la méthodologie de conception et de fabrication développée par son groupe est applicable à de nombreux matériaux disponibles dans le commerce et pourrait permettre la création de dispositifs photoniques dans la gamme 3-19 térahertz.
Les autres co-auteurs de l’article sont Xiaotong Chen, chercheur postdoctoral en science des matériaux et en nano-ingénierie ; Elizabeth Blackert et Tong Lin, doctorants en science des matériaux et nano-ingénierie ; Jiaming Luo, doctorant de troisième année en physique appliquée ; Alyssa Moon, maintenant à la Texas A&M University et anciennement inscrite à Rice dans le cadre du programme Nanotechnology Research Experience for Undergraduates ; et Khalil JeBailey, senior en science des matériaux et nano-ingénierie chez Rice.
La recherche a été soutenue par la National Science Foundation (2005096, 1842494, 1757967) et la Welch Foundation (C-2128).
