Des ondes térahertz ultra-confinées

Les ondes térahertz 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). Les longueurs d’onde correspondantes, lorsque l’onde se propage librement dans l’air ou le vide, sont de l’ordre de quelques centaines de micromètres, approximativement le diamètre d’un cheveu. Lorsqu’elles traversent des solides ou des liquides, leur longueur d’onde est plus petite le plus souvent d’un facteur un à quatre car leur propagation est ralentie à en raison de leur interaction avec la matière.

Dans une étude menée par des scientifiques de l’Institut d'électronique de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN, CNRS/Université de Lille/Université Polytechnique Hauts-de-France) et de l’Institut des nanotechnologies de Lyon (INL, CNRS/CPE Lyon/Centrale Lyon/INSA Lyon/Lyon 1 Université), une réduction record de la longueur d’onde des ondes térahertz d’un facteur plusieurs centaines a été mise en évidence lorsqu’elles se propagent 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 térahertz. L’élément essentiel d’un tel microscope est une pointe métallique illuminée par le faisceau focalisé d’un laser térahertz. Celle-ci joue le rôle d’une petite antenne permettant de concentrer l’onde térahertz à son extrémité. Les pointes utilisées ont été fabriquées dans la plateforme de micro-nano-fabrication de l’IEMN par la société Vmicro. Cette onde interagit avec la surface du cristal et est ensuite re-rayonnée par la pointe, puis collectée et mesurée. En déplaçant le cristal sous la pointe, on reconstitue une image qui met en évidence la propagation d’ondes au comportement singulier dans ces cristaux.

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. Ces feuillets sont assez peu liés entre eux, un peu comme dans le graphite, dont les feuillets se séparent facilement en couches mono-atomiques d’atomes de carbone appelées graphène. Dans le PbI₂, les ondes térahertz 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 térahertz mises en jeu dans ce microscope, les atomes de plomb et d’iode sont mis en vibration très fortement, à tel point que les photons térahertz 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, des oscillations ont pu être observées dans l’image, prouvant l’existence de polaritons ultra-confinés. Des modélisations et d’autres mesures ont été effectuées en collaboration avec le CNPEM au Brésil qui ont confirmé l’interprétation des images. Ces observations effectuées pour la première fois dans la gamme térahertz, pour ce type de polaritons, permettent d’envisager de nouveaux composants pour le traitement des signaux térahertz comme des guides d’ondes ou des antennes de tailles très réduites compatibles avec une intégration sur puce. Ces briques technologiques sont essentielles 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 molécules1 .

Références
High quality-factor terahertz phonon-polaritons in layered lead iodide.
Santos, C.N., Feres, F.H., Hannotte, T. et al.
Nature Communications (2026).
https://doi.org/10.1038/s41467-026-69027-6
Article consultable sur la base d’archives ouvertes HAL

• 1La révolution des ondes térahertz, Julien Bourdet, CNRS le Journal, décembre 2020.