La technologie Terahertz (THz) est utile dans des applications telles que l'imagerie biomédicale, les télécommunications et les systèmes de détection avancés. Cependant, en raison de la nature unique des ondes électromagnétiques dans la plage 0,1 à 10 térahertz, il a été difficile de développer des composants hautes performances démontrant le véritable potentiel de la technologie térahertz. Même la conception de pièces essentiellement sans composants, comme les filtres et les absorbeurs, reste un défi de taille.
Heureusement, l’essor des métamatériaux pourrait conduire à des solutions innovantes à ces problèmes. Grâce aux progrès des technologies de fabrication et de traitement, il est désormais possible de fabriquer des microstructures à motifs bidimensionnels (2D) dotées de propriétés électromagnétiques uniques dans la gamme térahertz, permettant un contrôle sans précédent des signaux à ces fréquences.
Bien qu'une variété de métamatériaux 2D (ou « hypersurfaces ») aient été proposés pour les matériaux absorbant les ondes, la plupart d'entre eux présentent encore de sérieuses limites. Un problème courant est qu’une fois les modes structurels d’un matériau absorbant une hypersurface identifiés et fabriqués, ses propriétés électromagnétiques sont fixées.
Cette non-accordabilité limite les applications possibles de tels dispositifs. D’un autre côté, bien qu’il existe des absorbeurs d’hypersurface métalliques réglables, l’utilisation de fines couches métalliques est déconseillée. Cela est dû à plusieurs inconvénients, tels que la difficulté de fabriquer les structures nécessaires et les mauvaises performances dues aux propriétés inhérentes aux métaux.
Dans ce contexte, l'équipe du Dr Wenhan Cao de l'Université des sciences et technologies de Shanghai a développé un nouvel absorbeur de métasurface accordable à base de carbone avec une bande passante accordable ultra-large dans la gamme térahertz. Cette recherche dirigée par le Dr Wenhan Cao a été récemment publiée dans Advanced Photonics Nexus.
"Le noyau de l'absorbeur utilise des microstructures de graphène et de graphite comme résonateurs et des couches de graphite comme surfaces rétroréfléchissantes." Le Dr Wenhan Cao explique : « Les sous-unités répétitives (ou « cellules ») de cet absorbeur de métasurface térahertz ont été conçues stratégiquement pour optimiser l'efficacité de l'absorption en fonction de quatre facteurs principaux : la géométrie, les propriétés des matériaux, la sensibilité de polarisation et le mécanisme de réglage. »
En termes de géométrie, l'absorbeur est constitué de trois couches minces. La couche supérieure est une couche conductrice à motifs contenant des anneaux de graphite concentriques interconnectés par des fils de graphène ; la deuxième couche est un simple diélectrique qui aide à dissiper les ondes électromagnétiques indésirables ; et la troisième couche est une couche absorbante qui empêche les ondes térahertz de pénétrer directement à travers le dispositif, maximisant ainsi l'efficacité d'absorption.
La sélection des matériaux et la conception géométrique de l'absorbeur sont optimisées par analyse numérique et simulation, ce qui contribue à son absorption remarquable dans la gamme térahertz. Notamment, une propriété clé de l’absorbeur proposé est son adaptabilité, qui découle des niveaux d’énergie de Fermi accordables. Ce paramètre est crucial dans la technologie des matériaux et des semi-conducteurs car il détermine la répartition des électrons dans différents niveaux d’énergie.
En appliquant une tension à une couche de graphène, il est possible de modifier son niveau d'énergie Fermi et ainsi d'affiner facilement la bande passante d'absorption. Le Dr Wenhan Cao a souligné : « À un niveau d'énergie Fermi de 1 eV, l'absorbeur proposé peut atteindre une bande passante étonnamment large de 8,99 THz, fournissant plus de 90 % d'absorption dans la gamme de fréquences de 7,24 à 16,23 THz, avec deux pics de résonance distincts. à 8,35 THz et 14,70 THz."
Un autre avantage significatif de la conception proposée est son insensibilité à l’angle de polarisation du rayonnement incident. L'utilisation de cercles concentriques dans la cellule de l'absorbeur confère naturellement cette propriété favorable. Le cercle, de forme parfaitement symétrique, permet à l'absorbeur de maintenir un taux d'absorption élevé à des angles d'incidence allant jusqu'à 50 degrés.
En bref, les nombreux avantages de la conception proposée, combinés à sa simplicité, représentent une véritable avancée dans la technologie térahertz. » L'absorbeur proposé offre une structure ultra fine et simple, sans métal, avec une large bande passante d'absorption réglable sur une faible épaisseur, ce qui grandement améliore son applicabilité. Ces avantages surpassent les autres absorbeurs signalés.
Dans un avenir proche, les appareils térahertz feront partie de la technologie quotidienne, notamment dans des domaines tels que la médecine et les communications, ainsi que dans des domaines plus axés sur la recherche, comme la science des matériaux et la biologie.
