Un groupe de chercheurs du laboratoire de nano-électro-optique du Département de physique électronique de l'Université de Tel-Aviv, sous la direction du Prof. Tal Ellenbogen, a réussi à développer une nouvelle méthode pour produire et contrôler les ondes térahertz à l'aide de matériaux nanométriques. Cette recherche révolutionnaire permettra le développement accéléré d'un large éventail de nouvelles applications critiques, entre autres dans les domaines de la médecine, de la haute technologie et de la sécurité, comme par exemple la détection à distance de médicaments contrefaits ou d'explosifs, et d'effectuer des tests d'imagerie médicale par rayonnement non ionisant.
L'étude a été menée par les doctorants Shay Keren-Zur et Mai Tal du laboratoire du Prof. Ellenbogen et le Dr. Sharly Fleischer, de l'École de chimie, en collaboration avec le Prof. Daniel Mittelman de l'Université Brown aux Etats-Unis, et a été récemment publiée dans les revues Nature Communications et Nano-Letters. Elle sera présentée début février 2020 lors de la Conférence internationale d'optique Photonics West à San Francisco.
Des nano-antennes en or
Les ondes térahertz sont des ondes électromagnétiques plus courtes que les micro-ondes et plus longues que l'infrarouge. Selon le Prof. Ellenbogen, la communauté scientifique connait depuis longtemps l'intérêt de ces ondes en raison de leur interaction spécifique avec les matériaux, qui leur permet, par exemple, d'en identifier certains avec précision. De plus, elles peuvent pénétrer certains matériaux non conducteurs comme les tissus, le plastique, le bois, le carton, la maçonnerie, la céramique etc…. qui apparaissent comme opaques aux autres longueurs d'onde, de sorte qu'elles peuvent être utilisées pour détecter des objets cachés et même déterminer leur composition. Cependant, malgré la grande importance de ces ondes, la capacité de les produire et de les maitriser est très limitée par rapport aux autres champs de rayonnement.
La nouvelle étude utilise des surfaces nanométriques, connues sous le nom de méta-surfaces, fabriquées au Centre de Nanoscience et Nanotechnologie de l'Université de Tel-Aviv à l'aide de techniques avancées, et permettant une production et une maitrise sans précédent des ondes térahertz.
Dans le cadre de l'étude, les chercheurs ont créé des surfaces parsemées de nano-antennes en or (un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre), absorbant efficacement la lumière de lasers émettant des impulsions infrarouges ultracourtes, et convertissent cette énergie en rayonnement térahertz. En contrôlant les antennes sur les méta-surfaces, les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient réguler la forme spatiale et temporelle des impulsions térahertz, d'une manière qui n'avait jamais été possible auparavant.
De nouvelles perspectives
"La démonstration que nous avons effectuée en laboratoire est révolutionnaire et ouvre de nouvelles perspectives. L'utilisation de nanomatériaux et la capacité de produire de la lumière à partir d'eux de manière contrôlable, procurent d'autres outils technologiques importants et fournissent de nouvelles possibilités, faisant avancer la recherche dans ce domaine d'un grand pas en avant", a déclaré le Prof. Ellenbogen.
"La capacité de contrôler pleinement la forme spatiale et autres propriétés des ondes térahertz, comme démontré dans l'étude, permettra notamment le développement et la mise en œuvre de méthodes d'imagerie avancées, et de nouvelles techniques de microscopie et de spectroscopie. Ainsi, par exemple, sera-t-il possible d'améliorer l'identification à distance, sans tests chimiques de laboratoire, de la composition et de la structure spatiale de divers matériaux. Cela permettra, par exemple, de détecter facilement les faux médicaments et les explosifs".
En raison de son importance, l'étude a été financée par le Conseil européen de la recherche (ERC), et le ministère israélien de la Science et de la Technologie.
Sur la photo, de droite à gauche: le Prof. Tal Ellenbogen, Mai Tal et Shay Keren-Zur. (Crédit: Université de Tel-Aviv).
