Des ondes térahertz ultra-confinées
Les ondes térahertz (THz) font partie de cette gamme de fréquences des ondes électromagnétiques située entre les ondes radio de nos téléphones portables (microondes) et la lumière infrarouge (émise par les objets chauds par exemple). Elles sont envisagées pour le développement de futurs systèmes de communication à très haut débit, tels que la 6G, ainsi que pour l’imagerie (de sécurité par exemple), et la détection de molécules [1]. Dans ce travail [2], nous avons mis en évidence une réduction record de la longueur d’onde des ondes THz d’un facteur plusieurs centaines lorsqu’elles se propage dans de très fins cristaux d’iodure de plomb PbI₂ (quelques centaines de nanomètres d’épaisseur). Les longueurs d’ondes sont alors réduites à quelques micromètres.
L’observation de ces ondes a nécessité la mise au point d’un microscope dédié à « champ proche » fonctionnant dans la gamme THz. L’élément essentiel d’un tel microscope est une pointe métallique illuminée par le faisceau focalisé d’un laser THz. Celle-ci joue le rôle d’une petite antenne permettant de concentrer l’onde THz à son extrémité. Les pointes que nous avons utilisées ont été fabriquées dans la plateforme de micro-nano-fabrication de l’IEMN par la société Vmicro [3]. Pour expliquer la compression extrême des longueurs d’ondes observées, il faut prendre en compte la structure atomique très particulière, en feuillets, des cristaux de PbI₂. Dans ceux-ci les ondes THz ont des propriétés très différentes suivant qu’elles se propagent dans le plan des couches ou perpendiculairement à celles-ci. Cette différence est exaltée par le fait qu’aux fréquences THz mises en jeu dans notre microscope, les atomes de plomb et d’iode sont mis en vibration très fortement à tel point que les photons THz se retrouvent très fortement liés aux vibrations des atomes, on parle alors de « polaritons ». Les cristaux de PbI₂ ayant des tailles de quelques dizaines de micromètres nous avons pu observer des oscillations dans l’image, prouvant l’existence de polaritons ultra-confinés (voir figure). Des modélisations et d’autres mesures ont été effectuées en collaboration avec le CNPEM au Brésil qui ont confirmé l’interprétation de ces images.
Ces observations effectuées pour la première fois dans la gamme THz, pour ce type de polaritons, permettent d’envisager de nouveaux composants pour le traitement et le contrôle des ondes THz comme des guides d’ondes, des modulateurs, des antennes de tailles très réduites compatibles avec une intégration sur puce.
En savoir +
[1] La révolution des ondes térahertz, Julien Bourdet, CNRS le Journal, décembre 2020.
[2] Santos, C.N., Feres, F.H., Hannotte, T. et al. High quality-factor terahertz phonon-polaritons in layered lead iodide. Nature Communications (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69027-6
[3] vmicroafmprobes.com
[4] Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materials (CNPEM), Campinas, São Paulo, Brasil
Contact : jean-francois.lampin
iemn.fr
