Un outil miniature produit des térahertz, ces ondes qui voient tout

The nanoscale terahertz wave generator can be implemented on flexible substrates. © EPFL / POWERlab

The nanoscale terahertz wave generator can be implemented on flexible substrates. © EPFL / POWERlab

Des chercheurs de l’EPFL ont fabriqué un nanodispositif dix fois plus rapide que les plus performants des transistors. Il est capable de générer des ondes térahertz à forte puissance. D’ordinaire difficiles à émettre, ces ondes ont d’innombrables capacités dans les domaines de l’imagerie, de la détection, de la communication sans fil à haute vitesse. Elles peuvent même améliorer le traitement de certains cancers. L’appareil est décrit aujourd’hui dans Nature. 


Situées entre les micro-ondes et l’infrarouge, les onde térahertz (THz) ¬– 100 à 30 000 milliards d’oscillations par seconde – présentent des propriétés qui suscitent un engouement marqué. Capables de traverser les vêtements, le bois, les murs, le papier et de mesurer la pollution de l’air, elles ont le potentiel de révolutionner nos systèmes de sécurité et de détection médicale. En télécommunications, elles promettent par ailleurs la transmission sans fil de données volumineuses à haut débit. 

Non-ionisantes – et donc non-nocives pour les organismes vivants – ces ondes sont déjà utilisées dans certains aéroports pour scanner les passagers et repérer les produits dangereux. 
Malgré toutes ces applications possibles, l’utilisation des ondes térahertz reste marginale, la faute à un mode de production volumineux et coûteux. Mais cela pourrait changer : à l’EPFL, les chercheurs du Power and Wide-band-gap Electronics Research Laboratory (POWERlab), dirigé par Elison Matioli, ont fabriqué un dispositif nanométrique (1 nanomètre équivaut à 1 millionième de millimètre) qui permet de produire de puissants signaux en quelques picosecondes (milliardièmes de secondes), et de les diffuser sous forme d’ondes téraherz. 
Intégrable sur puces et sur des supports flexibles, cette technologie pourrait équiper des systèmes portables, comme nos smartphones. La recherche menée par le premier auteur Mohammad Samizadeh, doctorant au POWERlab, est décrite dans Nature. 

Comment ça marche ? 
Compact, peu cher et tout-électrique, le nanodispositif permet de libérer une haute énergie en très peu de temps, sur un minuscule support. Il produit une sorte d’«étincelle» très puissante en une picoseconde, la tension passant soudainement de moins de 10 volts à 100 volts. Cette étincelle peut être reproduite presque continuellement, ce qui permet de générer jusqu’á 50 millions de signaux par seconde. Combiné avec des antennes, le système peut ainsi générer des ondes térahertz très puissantes. 

Le dispositif prend la forme de deux plaques de métal, séparées par un espace de 20 nanomètres. Lorsqu’une tension est appliquée, les électrons s’accumulent au bord de ce minuscule précipice, et forment un nanoplasma. Passé un certain point, les électrons transitent de façon ultra rapide vers la seconde plaque métallique, créant une impulsion très intense.
Jusqu’ici, les dispositifs électroniques permettaient cette émission d’électrons avec une vitesse maximale d’un volt par picoseconde. Ce qui ne permettait pas de générer des ondes térahertz puissantes. 
La nouvelle solution est plus de dix fois plus rapide. Les impulsions obtenues ont à la fois une haute énergie et une fréquence élevée. «En temps normal, on ne peut pas optimiser les deux valeurs. Les dispositifs à haute fréquence sont nanometriques. Ils ne supportent que quelques volts et s’abîment vite », explique Elison Matioli. « Les dispositifs de puissance sont quant à eux trop grands et lents pour générer des ondes en térahertz. Notre dispositif, qui combine recours au plasma et nanofabrication, résout ces limitations.»
Il ajoute : «Nous sommes parvenus à combiner plusieurs extrêmes. D’habitude, vous n’entendez pas les mots haute fréquence, haute puissance et nanodispositif dans la même phrase.» 
« Ces dispositifs sont simples, peu coûteux, mais présentent d’excellentes performances. Ils peuvent en outre être intégrés à d’autres appareils tels que des transistors. Compte tenu de ces propriétés uniques, le nanoplasma dessine un nouvel avenir pour l’électronique ultra-rapide », souligne Mohammad Samizadeh.
Cette technologie ouvre de nouvelles perspectives. Et pas seulement pour générer des ondes térahertz. «Notre technologie est totalement nouvelle. Nous pensons dès lors que des applications inédites sont encore à découvrir.»

Références

 'Nanoplasma-enabled picosecond switches for ultrafast electronics', Nature, 25 mars 2020. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2118-y


Auteur: Laure-Anne Pessina
Source: EPFL