Sections

La révolution des ondes térahertz

La révolution des ondes térahertz

07.02.2020, par
Système de caméra térahertz actuellement testé par la police britannique. La caméra capte la chaleur corporelle du sujet, localisant les objets qui bloquent la chaleur.
Système de caméra térahertz actuellement testé par la police britannique. La caméra capte la chaleur corporelle du sujet, localisant les objets qui bloquent la chaleur.
Sécurité, imagerie médicale, télécommunications, contrôle de qualité dans l'industrie... Les ondes térahertz, enfin domestiquées par les scientifiques, se retrouveront bientôt autour de nous dans de multiples applications.

Voir à travers les vêtements ou le plastique, détecter des explosifs ou des produits toxiques dans un paquet, identifier des cancers de façon précoce... Les ondes térahertz (THz), encore peu connues du grand public, s'apprêtent à révolutionner notre quotidien en offrant une multitude d'applications aussi précieuses les unes que les autres. Jusqu'ici confinés au laboratoire, les rayons T, comme on les appelle aussi, ont fait ces dernières années leur entrée dans le monde industriel. Et plus rien ne semble désormais les arrêter !

Des rayons doux mais perçants

Tout comme la lumière, les ondes térahertz sont des ondes électromagnétiques dont la fréquence s'étend entre 0,1 et 10 THz. Dans le spectre électromagnétique, ces radiations se situent ainsi entre les micro-ondes, utilisées notamment dans nos fours, et l'infrarouge, émis entre autres par nos télécommandes. Les propriétés des ondes THz sont extrêmement séduisantes. « Comme les micro-ondes, elles possèdent un fort pouvoir pénétrant leur permettant de traverser des matériaux comme les vêtements, le bois, le plastique. Et comme la lumière visible, elles se laissent focaliser, pouvant révéler des détails fins, de l’ordre du millimètre, voire moins. Enfin, comme l'infrarouge et à l’inverse des rayons X, elles sont non ionisantes, et donc a priori sans danger pour le vivant », explique Eric Freysz, du Laboratoire ondes et matière d'Aquitaine1. Bref, autant de qualités qui ont immédiatement laissé entrevoir de multiples utilisations.
 

Echantillons de tissu mammaire humain vus après traitement avec une coloration histopathologique (I) révélant les régions cancéreuses (entourées de pointillés)  , à l’œil nu (II) et avec une caméra terahertz (III).
Echantillons de tissu mammaire humain vus après traitement avec une coloration histopathologique (I) révélant les régions cancéreuses (entourées de pointillés) , à l’œil nu (II) et avec une caméra térahertz (III).
Echantillons de tissu mammaire humain vus après traitement avec une coloration histopathologique (I) révélant les régions cancéreuses (entourées de pointillés)  , à l’œil nu (II) et avec une caméra terahertz (III).
Echantillons de tissu mammaire humain vus après traitement avec une coloration histopathologique (I) révélant les régions cancéreuses (entourées de pointillés) , à l’œil nu (II) et avec une caméra térahertz (III).

Des sources de plus en plus puissantes et compactes

Mais pendant longtemps, les ondes THz sont restées quelque peu négligées par les scientifiques. Et ce, faute de sources et de détecteurs suffisamment performants. Ainsi, si la première émission THz remonte à 1911, il aura fallu attendre les années 1980 pour voir apparaître un émetteur digne de ce nom. La technique consiste à envoyer des impulsions lumineuses extrêmement brèves produites par un laser femtoseconde sur un matériau semi-conducteur mis sous tension. En réaction, les électrons ainsi excités de ce dernier émettent des ondes THz.
 
Plus récemment, dans les années 1990, a été mise au point une autre source capable de générer directement cette fois des rayons T : le laser à cascade quantique, constitué d'un empilement de couches nanométriques de matériaux semi-conducteurs dans lesquels les électrons descendent en cascade plusieurs « marches » correspondant à différents niveaux d'énergie, en émettant à chaque fois un photon THz. Avec ce nouveau dispositif, on disposait alors d'un émetteur relativement puissant, qui nécessitait toutefois d'être refroidi à basse température (-200 °C) pour pouvoir fonctionner. Dans le même temps ont été développées des sources faisant appel à des composants issus de l'électronique, là encore à base de semi-conducteurs. Compacts, ces systèmes émettent toutefois avec une puissance d'autant plus faible que la fréquence du rayonnement est élevée.
 

Circuit intégré comportant 124 systèmes source-résonateur-capteur Terahertz fonctionnant à 560GHz.
Circuit intégré comportant 124 systèmes source-résonateur-capteur térahertz fonctionnant à 560 GHz.
Circuit intégré comportant 124 systèmes source-résonateur-capteur Terahertz fonctionnant à 560GHz.
Circuit intégré comportant 124 systèmes source-résonateur-capteur térahertz fonctionnant à 560 GHz.

Armée de toutes ces techniques, la recherche dans le domaine des THz est aujourd’hui très active, avec pas moins d'une trentaine d'équipes travaillant sur le sujet rien qu'au CNRS. Ces dernières années, les progrès technologiques ont permis de mettre au point des sources toujours plus compactes et puissantes et des détecteurs toujours plus sensibles et simples d'utilisation. Les rayons T enfin domptés, les idées d'applications fleurissent aujourd'hui et certaines d'entre elles sont d'ores et déjà utilisées de manière opérationnelle. 

Un nouvel instrument d’imagerie

Dans le domaine de la sécurité d'abord, comme les ondes THz passent à travers les vêtements mais sont réfléchies par le métal et absorbées par les molécules d'eau, on pourrait les utiliser pour détecter des armes dissimulées. « Ces scanners corporels existent déjà dans certains aéroports mais ils fonctionnent à quelques dizaines de gigahertz (GHz). En passant au térahertz, on pourrait les rendre plus précis », note Juliette Mangeney, du Laboratoire de physique de l’École normale supérieure2. De la même manière, ces radiations pourraient sécuriser la chaîne de distribution des colis en rendant possible la recherche d'objets dangereux dans les paquets sans avoir à les ouvrir. Plusieurs démonstrations ont été réalisées avec succès dans le monde, dont certaines en France, mais les cadences de tri postal rendent encore difficile la mise en place de tels systèmes avec les moyens d'imagerie actuels.
 

Nous avons développé en collaboration avec un laboratoire allemand un système qui permettra en 30 minutes de savoir si tous les tissus atteints (par le cancer) ont bien été retirés. Les premiers tests dans les hôpitaux devraient commencer l'année prochaine.

On attend également beaucoup des ondes THz dans l'imagerie médicale pour traquer certaines formes de cancers et détecter des caries naissantes sous l'émail. Comme les cellules cancéreuses sont plus vascularisées et contiennent ainsi davantage d’eau, elles apparaissent différemment. Cette idée pourrait être mise en pratique pour la détection précoce de certains cancers de la peau et pour aider les chirurgiens au cours d'une intervention à s'assurer que le retrait de la tumeur – dans le cas d'un cancer du sein par exemple – est complet. « Nous avons développé en collaboration avec un laboratoire allemand un système qui permettra en 30 minutes de savoir si tous les tissus atteints ont bien été retirés. Les premiers tests dans les hôpitaux devraient commencer l'année prochaine », s'enthousiasme Patrick Mounaix.

Un outil de détection et de contrôle qualité

Ces ondes permettent aussi de faire de la spectroscopie, c'est-à-dire mesurer le pouvoir d'émission ou d'absorption d'un matériau, et identifier ainsi certaines espèces chimiques présentes. « En effet, la plupart des molécules ont des fréquences fondamentales de vibration ou de rotation dans le domaine des térahertz », précise Patrick Mounaix, du laboratoire de l’Intégration du matériau au système3. En mettant à profit ce phénomène, il sera possible de détecter des explosifs, des drogues ou des agents pathogènes cachés sur des personnes ou dans des enveloppes cachetées ; déterminer la fraîcheur d'aliments comme le poisson ou le degré de maturité de fruits ; ou encore caractériser des gaz polluants dans l'air. Le secteur pharmaceutique s'est déjà emparé de cette technique : sur certaines chaînes de fabrication de médicaments, on contrôle de cette façon la conformité des molécules produites.
 

Surveillance du métro de Shanghai à l'aide d'une caméra Terahertz.
Surveillance du métro de Shanghai à l'aide d'une caméra térahertz.
Surveillance du métro de Shanghai à l'aide d'une caméra Terahertz.
Surveillance du métro de Shanghai à l'aide d'une caméra térahertz.

Autre utilisation concrète des rayons T dans l'industrie : la mesure d’épaisseur individuelle de revêtements très fins (10 à 100 microns) et opaques comme la peinture de voiture, et ce sans contact et de façon non destructive. Plusieurs constructeurs automobiles se sont équipés d'appareils pour réaliser cette tâche. Et bien d'autres applications dans le domaine du contrôle de qualité ne devraient pas tarder à suivre : inspection de pièces d'avions dans l'aéronautique ou encore recherche de défauts dans des matériaux en plastique en cours de fabrication. « À des fins plus fondamentales, nous utilisons dans notre laboratoire des lasers THz impulsionnels pour mesurer en temps réel, sur des temps très courts, la conductivité électrique de certains matériaux (polymères conducteurs, matériaux bidimensionnels). Avec l'objectif d'améliorer leurs propriétés de conduction », ajoute Eric Freysz.

Plus de débit pour le Wifi

Autre domaine d'application : les télécommunications. Parce qu'elles correspondent à des fréquences plus élevées que les ondes utilisées actuellement (radio, wifi), les ondes THz – qui peuvent être émises et détectées par des antennes comme les ondes radio – permettront d'atteindre des débits bien supérieurs aux 10 gigabits par seconde (Gbits/s) obtenus à ce jour. Et rendront ainsi possible à terme la transmission sans fil de données très volumineuses sur les téléphones portables. « Ces dernières années, plusieurs équipes dans le monde, dont la nôtre, ont montré qu'il était possible d'obtenir en laboratoire un débit de 100 Gbits/s avec des émetteurs THz délivrant des ondes de 300 GHz environ. En parallèle, en gagnant en puissance, on est parvenu à envoyer des données, certes à un débit inférieur, mais sur un kilomètre au lieu de quelques dizaines de mètres en laboratoire. Tout porte à croire que la transmission sans fil de données à très haut débit sur une longue distance est pour bientôt », avance Guillaume Ducournau, de l'Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie4.

Démonstration d'une liaison wifi dans une bande de fréquence terahertz.
Démonstration d'une liaison wifi dans une bande de fréquence térahertz.
Démonstration d'une liaison wifi dans une bande de fréquence terahertz.
Démonstration d'une liaison wifi dans une bande de fréquence térahertz.

Des pistes pour disposer de meilleures sources d’onde

Mais pour assister à un transfert massif de la science THz du laboratoire vers l'industrie, les chercheurs ont encore du pain sur la planche : ils devront développer des systèmes produisant ces ondes, les détectant et les mesurant, encore plus puissants, plus compacts (quelques dizaines de cm2) et moins chers (quelques milliers d’euros). Première piste pour y parvenir : perfectionner les instruments existants. Un exemple : les lasers à cascade quantique n'ont cessé ces dernières années de voir leurs performances s'améliorer grâce à une meilleure maîtrise des procédés de fabrication des semi-conducteurs à l'échelle nanométrique, tout en étant capables de fonctionner à des températures de moins en moins froides, proches aujourd'hui de la température ambiante. Aujourd'hui plus que jamais, ces lasers semblent promis à un bel avenir.

Imageur terahertz fonctionnant sur prise usb
Imageur térahertz fonctionnant sur prise USB. Le dispositif est intégré à un système de mesures permettant le traitement des informations en temps réel.
Imageur terahertz fonctionnant sur prise usb
Imageur térahertz fonctionnant sur prise USB. Le dispositif est intégré à un système de mesures permettant le traitement des informations en temps réel.

Seconde piste : développer de nouveaux matériaux. C'est la voie suivie notamment par Juliette Mangeney et son équipe. En 2014, la chercheuse a réussi à générer un rayonnement à partir d'un matériau innovant bien connu, le graphène, excité par des impulsions optiques ultracourtes. « Un premier pas important vers la mise au point d'un laser THz à la fois très compact et puissant, la source qui nous manque encore aujourd'hui », souligne Juliette Mangeney. Récemment, la physicienne a vu son projet sélectionner par le Conseil européen de la recherche. Objectif : réaliser d'ici cinq ans un laser à base de graphène et démontrer son intérêt pour les télécoms et la sécurité. Vous n'avez pas fini d'entendre parler des rayons T ! 
_________________________________________

Un messager unique pour l'astronomie

Les astronomes ont été parmi les premiers à comprendre tout l'intérêt des ondes THz. La détection de ce rayonnement par les radiotélescopes au sol comme Alma ou les satellites comme Herschel – dont la mission s'est achevée en 2013 – permet en effet de révéler les signatures spectroscopiques caractéristiques des molécules présentes dans le milieu interstellaire, souvent inaccessibles dans d'autres gammes de longueurs d'onde. Ainsi, grâce aux rayons T, on a pu constituer un inventaire déjà large des molécules organiques complexes – indispensables à une chimie prébiotique – présentes dans les nuages moléculaires, le lieu de naissance des étoiles.

« Tout l'enjeu est de mieux comprendre comment ces molécules se forment et comment elles sont incorporées ensuite dans les systèmes planétaires », explique Laurent Margulès, du laboratoire de Physique des lasers, atomes et molécules5. Le travail du chercheur et de son équipe consiste à caractériser finement le spectre THz des molécules en laboratoire, prérequis indispensable à leur détection dans l'espace. Les ondes THz sont aussi un formidable messager pour percer les secrets de la formation des étoiles et des planètes. « Les observations d'Herschel dans ces longueurs d'onde ont permis de dévoiler la présence de chocs violents et de jets issus des étoiles en formation. Avec Alma, ce type de rayonnement permet d'étudier de près les disques de gaz et de poussières entourant les jeunes étoiles et d'y rechercher des planètes en train de naître », se réjouit Maryvonne Gérin-Laslier, du Laboratoire d’études du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères6
 

À lire sur le site du journal

De nouvelles ondes à la vue perçante​
Les nouveaux matériaux inspirés du graphène
 

Notes
  • 1. Unité CNRS/ Université de Bordeaux.
  • 2. Unité CNRS/ENS Paris-PSL/Sorbonne Université/Université Paris-Diderot.
  • 3. Unité CNRS/Université de Bordeaux/Bordeaux INP.
  • 4. Unité CNRS/Université de Lille/Université Polytechnique Hauts-de-France/Centrale Lille Institut.
  • 5. Unité CNRS/Université de Lille.
  • 6. Unité CNRS/Observatoire de Paris/Sorbonne Université/Université de Cergy-Pontoise.
Aller plus loin

Auteur

Julien Bourdet

Julien Bourdet, né en 1980, est journaliste scientifique indépendant. Il a notamment travaillé pour Le Figaro et pour le magazine d’astronomie Ciel et Espace. Il collabore également régulièrement avec le magazine La Recherche.

Commentaires

1 commentaire

" Enfin, comme l'infrarouge et à l’inverse des rayons X, elles sont non ionisantes, et donc a priori sans danger pour le vivant " Le "a priori" est un peu dérangeant : va-t-on développer applications industrielles, médicales ou autres avant de s'interroger sur ses effets sur l'humain ? Les personnes electro-sensibles apprécieront...
Pour laisser votre avis sur cet article
Connectez-vous, rejoignez la communauté
du journal CNRS