Une collaboration entre les équipes QUAD et DON a permis de mettre au point un nouveau dispositif rapide pour la détection des ondes TeraHertz. Ce capteur combine des concepts d’électromagnétisme et de nano-optomécanique.

Alors que la lumière visible joue un rôle prépondérant dans notre vie, elle n’est qu’une partie infime du vaste spectre des ondes électromagnétiques. Le nouveau dispositif inventé au laboratoire MPQ permet de détecter à température ambiante des ondes TeraHertz, totalement invisibles pour l’œil humain, mais qui ont d’importantes applications. Par exemple, ces ondes permettent de voir à travers les emballages plastiques, ou encore sont utiles pour l’imagerie médicale, tout en étant totalement inoffensives pour les organismes vivants, contrairement aux rayons X. Ces ondes se situent dans le spectre électromagnétique entre les ondes radio et le rayonnement thermique. Bien connues des scientifiques, les ondes TeraHertz sont pourtant peu explorées en raison de l’absence de sources et de détecteurs faciles d’emploi, à savoir des dispositifs qui opèrent à température ambiante et suffisamment rapidement. Les seuls dispositifs mis au point à ce jour fonctionnent à très basse température (environ -200°C) et entrainent, de fait, une complexité d’utilisation.

Le dispositif mis au point au laboratoire est inspiré des circuits électriques résonants que l’on trouve dans les radios ou les téléphones portables, mais réduits ici à des tailles micrométriques. De plus, grâce à un procédé de nano-fabrication mis au point dans la salle blanche du laboratoire, une partie du résonateur a été rendue mobile : une poutre de taille nanométrique intégrée au résonateur devient alors un oscillateur mécanique. Ce micro-récepteur radio, encore appelé “résonateur split-ring”, est ainsi non seulement capable de capturer les ondes TeraHertz, mais aussi de convertir leur énergie en action mécanique sur la nano-poutre. Cette action mécanique est détectée par un laser rouge qui, après avoir été réfléchi par la poutre, est envoyé dans une photodiode balancée. Cette technique est particulièrement sensible et permet de détecter des mouvements infimes, dont l’amplitude avoisine la taille d’un proton. La combinaison entre cette lecture optique ultra-sensible et le récepteur nano-optomécanique a permis de mettre en place le nouveau détecteur pour les ondes TeraHertz. De la taille d’une dizaine de micron, ce capteur est beaucoup plus rapide que les détecteurs actuels et surtout fonctionne à température ambiante.

Un brevet a été déposé pour valoriser cette nouvelle technologie. En effet, rapidement industrialisable et miniaturisable, ce détecteur pourrait trouver des applications dans les domaines de l’imagerie médicale non destructive, de l’inspection d’objets d’art et des circuits électroniques imprimés, ou encore pour l’observation astronomique embarquée sur satellite. Cette collaboration entre les équipes QUAD et DON a été réalisée dans le cadre du projet Labex SEAM « Capture ».

Figure :
Image d’un ensemble des résonateurs TeraHertz optomécaniques obtenue par microscope électronique à balayage

Contact :
yanko.todorov@univ-paris-diderot.fr

Référence :
Optomechanical terahertz detection with single meta-atom resonator, C. Belacel, Y. Todorov, S. Barbieri, D. Gacemi, I. Favero and C. Sirtori, Nature Communications 8, 1578 (2017)

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