Contrôler les ondes terahertz et infrarouges
Publié par Redbran le 14/07/2019 à 08:00
Source: Université de Genève
Des chercheurs des universités de Genève et de Manchester ont pour la première fois confirmé expérimentalement la théorie de la très forte résonance magnétique dans le graphène.


Le dispositif expérimental qui a permis de focaliser les radiations infrarouges et terahertz sur des petits échantillons de graphène pur dans le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une...), construit par l'équipe de l'UNIGE. © UNIGE, Ievgeniia Nedoliuk

Pouvoir contrôler les ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) infrarouges et terahertz à l'aide de champs magnétiques ou électriques est l'un des grands défis de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un...) qui pourrait révolutionner l'opto-électronique, les télécommunications (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance d’information avec des moyens électroniques. Ce terme est plus utilisé que le terme synonyme officiel «communication...) et les diagnostics médicaux. Une théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent...) de 2006 prédit que grâce au graphène - une couche monoatomique d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué d'un...) de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) épaisse comme une feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux supérieurs. Elle est insérée sur les tiges des plantes au...) -, il serait possible, dans un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique, non seulement d'absorber la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de...) infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des...) et terahertz sur commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.), mais aussi d'en contrôler la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait d'appliquer une...) circulaire dans un sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du vieillissement, suivi...) ou dans l'autre. Pour la première fois, des chercheurs de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) de Genève (UNIGE) et de l'Université de Manchester ont réussi à expérimenter cette théorie et ont obtenu les résultats prédits. Cette étude, à lire dans la revue Nature Nanotechnology, démontre d'une part que les chercheurs sont en passe de contrôler les ondes infrarouges et terahertz et que d'autre part, le graphène tient toutes ses promesses et se profile comme le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières et...) de la physique de l'avenir, que ce soit sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par...) ou dans l'Espace.

"Il existe de nombreux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) -appelés matériaux de Dirac-, dans lesquels les électrons se comportent comme s'ils n'avaient pas de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre...), à l'instar des particules de lumière, les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un...)", explique Alexey Kuzmenko, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont...) au Département de physique de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux....) quantique de la Faculté des sciences de l'UNIGE, qui a travaillé sur cette recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) avec Ievgeniia Nedoliuk. Parmi ces matériaux, le graphène est une couche monoatomique d'atomes de carbone qui forment un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un...) en nid (Le nid désigne généralement la structure construite par les oiseaux pour contenir leurs œufs et fournir un premier abri à leur...) d'abeille comme dans le graphite, la matière utilisée notamment pour fabriquer les crayons.

L'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée...) entre le graphène et la lumière laisse à penser que ce matériau permettrait de prendre le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) des ondes infrarouges et terahertz. "Cela serait une grande avancée pour l'opto-électronique, la sécurité, les télécommunications ou encore les diagnostics médicaux", s'enthousiasme le chercheur genevois.

Confirmer une vieille théorie par l'expérience

Une prédiction théorique de 2006 annonce que si l'on place un matériau Dirac, comme le graphène, dans un champ magnétique, cela va produire une très forte résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres....) de cyclotron (Le cyclotron est un type d’accélérateur circulaire inventé par Ernest Orlando Lawrence en 1931. Dans un cyclotron, les particules placées dans un champ magnétique suivent une trajectoire en forme de spirale et sont accélérées par un...): "quand une particule se trouve dans le champ magnétique, elle bouge sur une orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) circulaire et absorbe l'énergie électromagnétique (Les forces électrostatiques et magnétiques peuvent faire déplacer des objets à distance, il semble donc évident qu'à tout phénomène électromagnétique est associé une...) -la lumière-, comme par exemple ce qui se fait dans le grand collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de hadrons du CERN, résume le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive du...). Et lorsque les particules n'ont pas de masse, comme dans le graphène, cette absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une...) est maximale !"

Pour démontrer cette absorption maximale, il fallait aux physiciens un graphène très pur, afin que les électrons qui parcourent de grandes distances ne se dispersent pas dans les impuretés ou les défauts cristallins. Mais de telles pureté et finesse sont très difficiles à obtenir et ne se créent que quand le graphène est pris en sandwich dans un autre matériau bidimensionnel - le nitrure de bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.).

Les chercheurs de l'UNIGE se sont associés à l'équipe d'André Geim, professeur à l'Université de Manchester et récipiendaire du Prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste Alfred Nobel. Il récompense des figures scientifiques...) 2010 pour la découverte du graphène, afin de mettre au point (Graphie) des échantillons de graphène très purs. Même déjà exceptionnellement grands pour ce genre de graphène, les échantillons étaient néanmoins trop petits pour quantifier la résonance cyclotron avec des techniques connues jusque-là. C'est pourquoi les chercheurs genevois ont conçu spécialement un dispositif expérimental qui a permis de focaliser les radiations infrarouges et terahertz sur les petits échantillons de graphène pur dans un champ magnétique. "Et le résultat de l'expérience a confirmé la théorie de 2006 !", se réjouit Alexey Kuzmenko.

Une polarisation contrôlée sur mesure

Ce résultat démontre pour la première fois qu'effectivement, un effet magnéto-optique colossal a lieu si l'on utilise une couche de graphène pur. "La magneto-absorbtion maximale possible de lumière infrarouge ou terahertz, soit 50%, est dès lors atteinte dans la couche monoatomique", précise Alexey Kuzmenko.

Dans un deuxième temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), les physiciens ont constaté qu'il était possible de choisir quelle polarisation circulaire -la gauche ou la droite- devait être absorbée. "Le graphène naturel dit intrinsèque est électriquement neutre et absorbe toute la lumière, quelle que soit sa polarisation. Mais si on y introduit des porteurs de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou...) positive ou négative, on peut choisir à notre guise la polarisation absorbée, tant dans l'infrarouge que dans le terahertz", continue le scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.). Cette capacité de contrôle joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et...) un rôle crucial notamment en pharmacie (La pharmacie (du grec φάρμακον/pharmakôn signifiant drogue, venin ou poison) est la science s'intéressant à la...), où l'interaction entre de nombreuses molécules et la lumière dépend de sa polarisation que l'on pourrait alors contrôler. De même, ce contrôle est considéré prometteur pour la recherche de la vie (La vie est le nom donné :) sur les exoplanètes, en permettant d'observer les signatures de chiralité (La chiralité (du grec ch[e]ir~ - main~) est une importante propriété d'asymétrie dans diverses branches de la science. Un objet ou un système est appelé chiral s'il diffère de son image miroir. De tels...) inhérente à la matière biologique.

Enfin, les physiciens ont constaté que pour observer dans le terahertz de grands effets dans les champs magnétiques, des aimants permanents, à peine plus forts que ceux de nos frigos, étaient déjà suffisants. Cela permet d'effectuer des recherches et applications sans coûts trop élevés, ces aimants étant faciles à produire et peu chers.

Maintenant que cette théorie est confirmée, les chercheurs vont poursuivre leur travail sur les sources et détecteurs de la lumière infrarouge et terahertz ajustables dans le champ magnétique. Le graphène n'a pas encore fini de les étonner.


© UNIGE, Ievgeniia Nedoliuk

Référence publication:
Cette recherche est publiée dans, Nature Nanotechnology
DOI: 10.1038/s41565-019-0489-8

Contact chercheur:
Alexey Kuzmenko - Maître d'enseignement (L'enseignement (du latin "insignis", remarquable, marqué d'un signe, distingué) est une pratique d'éducation visant à développer les connaissances d'un...) et de recherche au Département de physique de la matière quantique - Faculté des sciences
Alexey.Kuzmenko at unige.ch
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