Une découverte récente pourrait transformer radicalement les systèmes de détection et de communication grâce notamment à des métamatériaux qui sont en mesure de redéfinir les limites de la technologie en térahertz.
Travailler dans la gamme des térahertz (THz) offre des opportunités uniques dans diverses applications,comme l’imagerie biomédicale, les télécommunications et les systèmes de détection avancés. En raison des propriétés particulières des ondes électromagnétiques dans la plage de 0,1 à 10 THz, le développement de composants haute performance exploitant pleinement le potentiel de la technologie THz s’est avéré pourtant difficile. La conception d’éléments de base tels que les filtres et les absorbeurs reste un défi substantiel.
Les métamatériaux à la rescousse
Heureusement, l’émergence des métamatériaux pourrait conduire à des méthodes innovantes pour résoudre ces problèmes. Grâce aux progrès des technologies de fabrication et de traitement, il est désormais possible de créer des microstructures bidimensionnelles (2D) à motifs avec des propriétés électromagnétiques uniques dans la gamme THz, offrant un contrôle sans précédent sur les signaux à ces fréquences. Bien que divers absorbeurs métasurfaces 2D aient été proposés, la plupart souffrent encore de limitations sérieuses.
Un problème courant est que, une fois le motif structurel d’un absorbeur métasurface déterminé et fabriqué, ses performances électromagnétiques deviennent fixes. Ce manque de variabilité limite les applications possibles de tels dispositifs. D’autre part, bien que des absorbeurs métasurfaces ajustables à base de métal existent, l’utilisation de fines couches métalliques est découragée en raison de plusieurs inconvénients, tels que la difficulté de fabrication des structures nécessaires et des performances médiocres dues aux caractéristiques inhérentes des métaux.
Une avancée significative avec les absorbeurs en carbone
Face à cette situation, une équipe de recherche de Chine a développé un nouvel absorbeur métasurface en carbone ajustable avec une bande passante ultra-large et réglable dans la gamme THz. Leur étude, dirigée par le Dr. Wenhan Cao de l’Université ShanghaiTech, a été récemment publiée dans Advanced Photonics Nexus.
L’absorbeur proposé est centré sur l’utilisation de microstructures de graphène et de graphite en tant que résonateurs et d’une couche de graphite comme surface réfléchissante arrière. « L’unité de répétition, ou ‘cellule unitaire’, dans cet absorbeur métasurface THz a été stratégiquement conçue pour optimiser l’efficacité d’absorption principalement sur la base de quatre facteurs : la géométrie, les propriétés des matériaux, la sensibilité à la polarisation et les mécanismes de réglage», explique Wenhan Cao.
Conception et performance optimisées
En termes de géométrie, l’absorbeur comprend trois couches minces. La couche supérieure est une couche conductrice à motifs contenant un arrangement d’anneaux concentriques en graphite interconnectés par des fils de graphène, tandis que la seconde est un diélectrique simple qui aide à dissiper les ondes électromagnétiques indésirables. Enfin, la troisième couche est une couche d’absorption qui empêche les ondes THz de traverser complètement le dispositif, maximisant ainsi l’efficacité de l’absorption.
La sélection des matériaux et la conception géométrique de l’absorbeur, qui ont été optimisés par analyse numérique et simulations, contribuent à son absorption remarquable dans la gamme THz. Notamment, une caractéristique clé de l’absorbeur proposé est sa modularité, qui découle d’un niveau de Fermi ajustable. Ce paramètre est essentiel dans les technologies des matériaux et des semi-conducteurs car il détermine la distribution des électrons à différents niveaux d’énergie.
En appliquant une tension à la couche de graphène, il est possible de modifier son niveau de Fermi, ce qui permet de régler facilement la bande passante d’absorption.
« À un niveau de Fermi de 1 eV, l’absorbeur proposé peut atteindre une bande passante impressionnante de 8,99 THz, offrant plus de 90 pour cent d’absorption dans la plage de fréquences de 7,24 à 16,23 THz, avec deux pics de résonance distincts à 8,35 THz et 14,70 THz », souligne Wenhan Cao.
Avantages et perspectives
Un autre avantage notable du design proposé est son insensibilité remarquable à l’angle de polarisation du rayonnement incident. Cette propriété favorable découle naturellement de l’utilisation d’anneaux concentriques dans la cellule unitaire de l’absorbeur. Le cercle, en tant que forme parfaitement symétrique, permet à l’absorbeur de maintenir un taux d’absorption élevé à des angles d’incidence allant jusqu’à 50°.
Dans l’ensemble, les nombreux avantages du design proposé, combinés à sa simplicité élégante, représentent une véritable percée dans la technologie THz.
« L’absorbeur proposé fournit une structure ultra-mince et simple sans métal avec une large bande passante d’absorption et ajustable à faible épaisseur, ce qui améliore grandement son applicabilité. Ces avantages vont au-delà de ceux d’autres absorbeurs rapportés », remarque Wenhan Cao, satisfait des résultats.
Bientôt, les dispositifs THz pourraient devenir partie intégrante de la technologie quotidienne, en particulier dans des domaines comme la médecine et les communications, ainsi que dans des efforts plus orientés vers la recherche comme la science des matériaux et la biologie.
En synthèse
La technologie en térahertz, bien que prometteuse, a été entravée par des défis techniques. L’émergence des métamatériaux a ouvert de nouvelles voies pour surmonter ces obstacles. L’absorbeur métasurface en carbone développé par l’équipe de recherche chinoise est un exemple de la manière dont ces matériaux peuvent être utilisés pour créer des dispositifs avec des performances améliorées et une plus grande flexibilité.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la technologie en térahertz ?
La technologie en térahertz fait référence à l’utilisation des ondes électromagnétiques dans la gamme de fréquences de 0,1 à 10 THz pour diverses applications : l’imagerie biomédicale, les télécommunications et les systèmes de détection avancés.
Quels sont les défis associés à la technologie en térahertz ?
Le développement de composants haute performance exploitant pleinement le potentiel de la technologie THz s’est avéré difficile en raison des propriétés uniques des ondes électromagnétiques dans cette gamme de fréquences. La conception d’éléments de base comme les filtres et les absorbeurs reste un défi substantiel.
Qu’est-ce qu’un métamatériau ?
Un métamatériau est un matériau dont la structure a été conçue pour avoir des propriétés qui ne sont pas trouvées dans les matériaux naturels. Ils sont souvent utilisés pour manipuler les ondes électromagnétiques de manière unique.
Qu’est-ce qu’un absorbeur métasurface ?
Cet absorbeur est un dispositif qui utilise une métasurface pour absorber les ondes électromagnétiques. Les absorbeurs de ce type sont souvent utilisés dans les systèmes de détection et de communication.
Quels sont les avantages de cet absorbeur métasurface en carbone ?
L’absorbeur métasurface en carbone offre une bande passante ultra-large et réglable dans la gamme THz, une insensibilité remarquable à l’angle de polarisation du rayonnement incident et une structure ultra-mince et simple sans métal. Ces caractéristiques améliorent grandement son applicabilité dans diverses applications.
Références
Cao, W., et al. (2024). Carbon-based tunable metasurface absorber with ultrawide bandwidth in the THz range. Advanced Photonics Nexus. 10.1117/1.APN.3.1.016007
