Ondes térahertz suralimentées : une percée avec les matériaux magnétiques

Situées entre les micro-ondes et la lumière infrarouge, les ondes térahertz sont essentielles aux avancées pionnières des technologies d’imagerie et de diagnostic. Une récente découverte à l’Université du Tohoku d’un matériau capable d’émettre ces ondes de manière plus intense promet de catalyser des avancées significatives dans un large éventail d’industries.

Les ondes térahertz sont étudiées intensément par des chercheurs du monde entier cherchant à comprendre « l’écart térahertz ». Les ondes térahertz ont une fréquence spécifique qui les place quelque part entre les micro-ondes et la lumière infrarouge. Cette plage est appelée « écart » car il reste encore beaucoup de choses inconnues sur ces vagues. En fait, ce n’est que relativement récemment que les chercheurs ont pu développer la technologie permettant de les générer. Les chercheurs de l’Université du Tohoku nous ont permis de mieux comprendre ces vagues et de combler ce manque de connaissances.

Percée dans la génération d'ondes térahertz

Des chercheurs de l'Institut avancé de recherche sur les matériaux (WPI-AIMR) et de la Graduate School of Engineering ont découvert un nouveau matériau magnétique qui génère des ondes térahertz à une intensité environ quatre fois supérieure à celle des matériaux magnétiques classiques.

Tirant parti des caractéristiques propres aux ondes térahertz, cette technologie devrait être utilisée dans divers domaines industriels, notamment l'imagerie, le diagnostic médical, l'inspection de sécurité et la biotechnologie. Le professeur adjoint Ruma Mandal (WPI-AIMR) explique : « Les ondes térahertz ont une faible photon énergies et contrairement aux rayons X, ils n’émettent pas de rayonnements ionisants. Ainsi, s’ils sont utilisés pour l’imagerie des patients ou pour des microscopes, ils peuvent endommager moins les tissus ou les échantillons.

(a) Aimant de Weyl : diagramme schématique d'un cristal d'alliage Heusler cobalt-manganèse-gallium (Co2MnGa). (b) Ondes térahertz induites par la lumière. Crédit : Shigemi Mizukami

Améliorer l'émission térahertz avec les aimants Weyl

En gardant ces applications à l’esprit, une équipe de chercheurs de l’Université du Tohoku a cherché à développer un émetteur d’ondes térahertz efficace, compact, robuste et rentable. Il a été démontré que les aimants de Weyl – un type de matériau topologique – génèrent un énorme effet Hall anormal qui les rend adaptés à la génération d’ondes térahertz. Dans cette étude, des échantillons de couches minces monocristallines d'un aimant de Weyl fabriqués à partir d'un Heusler cobalt-manganèse-gallium alliage ont été préparés et étudiés dans diverses conditions.

(a) Ondes térahertz photo-induites générées par l'aimant de Weyl : couche mince d'alliage Heusler cobalt-manganèse-gallium (Co2MnGa) observée dans cette étude. (b) Effet Hall anormal observé dans l'échantillon de film mince correspondant. Crédit : Shigemi Mizukami

L'avenir de la recherche sur les ondes térahertz

Il a été constaté que l'effet Hall anormal géant provenant de la structure électronique topologique unique aux aimants de Weyl améliorait les ondes térahertz photo-induites. Cette réalisation approfondira notre compréhension de l’interaction de la lumière et du spin dans les aimants de Weyl.

« Bien que l'intensité des ondes térahertz générées soit encore inférieure à celle des émetteurs térahertz à excitation de spin développés à ce jour », explique le professeur Shigemi Mizukami, « la structure est plus simple et les métaux lourds coûteux comme le platine ne sont plus nécessaires ».

Mandal et leurs collègues ont pu démontrer expérimentalement la capacité de ce matériau magnétique à produire des ondes térahertz, afin qu'il puisse être utilisé dans des dispositifs spintroniques et d'autres applications importantes. Une telle découverte dans un domaine émergent pourrait façonner l’avenir des technologies de nouvelle génération.

Ce travail a été publié dans Matériaux NPG Asie le 7 juin 2024.