Une source térahertz haute puissance, pouvant être transportable, a été mise au point par une équipe de chercheurs du Massachussets Institute of Technology (MIT) et de l’Université de Waterloo (Canada). Ces travaux publiés le 2 novembre dans la revue Nature Photonics, ouvrent la voie à des équipements térahertz plus performants, et plus facile à intégrer pour des applications d’imagerie en temps réel.
Se situant entre 300 GHz et plusieurs milliers de GHz - soit entre la plage de fréquence des infrarouges et des micro-ondes – la gamme de fréquence térahertz (THz) pose un certain nombre de problèmes technologiques et montre les limites des dispositifs électroniques et photoniques.
Si les dispositifs électroniques, tels que les transistors fonctionnent bien en bas de cette gamme de fréquences, leurs performances chutent drastiquement lorsque l’on dépasse le térahertz. D’un autre côté, les composants photoniques, comme les lasers à diodes, ne peuvent être utilisés qu’à des fréquences supérieures à 10 THz. Il existe donc une bande de fréquence située entre 1 et 10 THz difficilement accessible.
Une cascade de puits quantiques
Pour répondre à ce besoin, des systèmes appelés lasers térahertz à cascade quantique (quantique cascade laser ou QCL) ont été mis au point. Leur conception, reposant sur une succession de puits quantiques, leur permet de fonctionner dans cette plage de fréquence inaccessible aux composants électroniques et photoniques plus classiques. Ils génèrent également des niveaux de puissance de sortie beaucoup plus élevés (>1W) et atteignent des rendements énergétiques en onde continue beaucoup plus importants (>1%).
Un fonctionnement à plus haute température
Cependant ces dispositifs ne pouvaient, jusqu’à présent, fonctionner uniquement qu’à très basse températures car l’agitation moléculaire ne permet pas d’obtenir les fréquences voulues. Les systèmes QCL ne pouvaient fonctionner à qu'en dessous de 200 Kelvin (-73,15° Celsius). Des conditions qui limitent l’utilisation de ses lasers aux laboratoires de recherche.
Les équipes du MIT et de l’Université de Waterloo ont mis au point une source QCL, fonctionnant à 4 THz à une température maximum de 250 Kelvin (-23,15 °C). Une performance qui surpasse de loin le précédent record de 210 K (-63,15°C) obtenu en 2019.
Une structure complexe
Ce résultat a été obtenu en doublant la hauteur des barrières entre les puits quantique, à l’intérieur du laser, pour empêcher la fuite des électrons. Ce phénomène prend en effet de l’importance au fur et à mesure que la température augmente selon les observations des chercheurs.
Cette innovation a été associée à une structure QCL dite « à phonon direct » dans laquelle chaque niveau de la cascade est rapidement dépeuplé d’électrons grâce à la diffusion d’un phonon. Celui-ci permet également de réinjecter les électrons dans l’étape suivante. Cette structure complexe, qui nécessite environ 15 000 interfaces entre les puits quantiques et les barrières selon les auteurs de l’article, est essentielle à la création du laser.
Cette structure, associée à une plus haute température d’utilisation, ouvre la voie à des dispositifs térahertz plus puissants et portables, pour des applications dans le domaine de l’imagerie médicale.
