Ultrarapide et réglable | Alerte Eurek !

Une étude menée par une équipe de recherche du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), de l’Institut catalan de nanosciences et de nanotechnologies (ICN2), du Centre pour la science du graphène de l’Université d’Exeter et de la TU Eindhoven démontre que les matériaux à base de graphène peuvent être utilisé pour convertir efficacement les signaux haute fréquence en lumière visible, et que ce mécanisme est ultrarapide et accordable, comme l’équipe présente ses découvertes dans Nano Letters (DOI : 10.1021/acs.nanolett.3c00507). Ces résultats ouvrent la voie à des applications passionnantes dans les technologies de l’information et de la communication du futur proche.

La capacité de convertir des signaux d’un régime de fréquence à un autre est la clé de diverses technologies, en particulier dans les télécommunications, où, par exemple, les données traitées par des appareils électroniques sont souvent transmises sous forme de signaux optiques à travers des fibres de verre. Pour permettre des débits de transmission de données nettement plus élevés, les futurs systèmes de communication sans fil 6G devront étendre la fréquence porteuse au-dessus de 100 gigahertz jusqu’à la gamme des térahertz. Les ondes térahertz font partie du spectre électromagnétique qui se situe entre les micro-ondes et la lumière infrarouge. Cependant, les ondes térahertz ne peuvent être utilisées que pour transporter des données sans fil sur des distances très limitées. « Par conséquent, un mécanisme rapide et contrôlable pour convertir les ondes térahertz en lumière visible ou infrarouge sera nécessaire, qui peut être transporté via des fibres optiques. Les technologies d’imagerie et de détection pourraient également bénéficier d’un tel mécanisme », explique le Dr Igor Ilyakov de l’Institut de physique des rayonnements du HZDR.

Ce qui manque jusqu’à présent, c’est un matériau capable de convertir les énergies des photons par un facteur d’environ 1000. L’équipe n’a que récemment identifié la forte réponse non linéaire des matériaux quantiques dits de Dirac, par exemple le graphène et les isolants topologiques, aux impulsions lumineuses térahertz. . “Cela se manifeste dans la génération très efficace d’harmoniques élevées, c’est-à-dire de lumière avec un multiple de la fréquence laser d’origine. Ces harmoniques sont toujours dans la gamme des térahertz, cependant, il y a également eu les premières observations de l’émission de lumière visible du graphène lors d’une excitation infrarouge et térahertz », se souvient le Dr Sergey Kovalev de l’Institut de physique des rayonnements du HZDR. “Jusqu’à présent, cet effet a été extrêmement inefficace et le mécanisme physique sous-jacent inconnu.”

Le mécanisme derrière
Les nouveaux résultats fournissent une explication physique de ce mécanisme et montrent comment l’émission de lumière peut être fortement améliorée en utilisant du graphène hautement dopé ou en utilisant un métamatériau à réseau de graphène – un matériau avec une structure sur mesure caractérisée par des propriétés optiques, électriques ou magnétiques particulières. L’équipe a également observé que la conversion se produit très rapidement – sur une échelle de temps inférieure à la nanoseconde, et qu’elle peut être contrôlée par déclenchement électrostatique.

«Nous attribuons la conversion de fréquence lumineuse dans le graphène à un mécanisme de rayonnement thermique induit par les térahertz, c’est-à-dire que les porteurs de charge absorbent l’énergie électromagnétique du champ térahertz incident. L’énergie absorbée se répartit rapidement dans le matériau, entraînant un échauffement du support ; et finalement cela conduit à l’émission de photons dans le spectre visible, tout à fait comme la lumière émise par n’importe quel objet chauffé », explique le professeur Klaas-Jan Tielrooij du groupe Ultrafast Dynamics in Nanoscale Systems de l’ICN2 et de l’Université de technologie d’Eindhoven.

L’accordabilité et la vitesse de conversion térahertz-lumière visible obtenues dans les matériaux à base de graphène ont un grand potentiel d’application dans les technologies de l’information et de la communication. Le mécanisme thermodynamique ultrarapide sous-jacent pourrait certainement avoir un impact sur les interconnexions térahertz-télécom, ainsi que sur toute technologie nécessitant une conversion de fréquence ultrarapide des signaux.

Publication:
I. Ilyakov, A. Ponomaryov, D. Saleta Reig, C. Murphy, JD Mehew, TVAG de Oliveira, GL Prajapati, A. Arshad, J.-C. Deinert, MF Craciun, S. Russo, S. Kovalev et K.-J. Tielrooij, Conversion térahertz-lumière visible ultrarapide accordable par rayonnement thermique à partir de métamatériaux de graphène, Nano Letters, 2023 (DOI : 10.1021/acs.nanolett.3c00507)

Informations complémentaires :
Dr Igor Ilyakov | Dr Sergueï Kovalev
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Le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) effectue – en tant que centre de recherche allemand indépendant – des recherches dans les domaines de l’énergie, de la santé et de la matière. Nous nous concentrons sur la réponse aux questions suivantes :
• Comment l’énergie et les ressources peuvent-elles être utilisées de manière efficace, sûre et durable ?
• Comment mieux visualiser, caractériser et traiter plus efficacement les tumeurs malignes ?
• Comment se comportent la matière et les matériaux sous l’influence de champs forts et dans les plus petites dimensions ?

Pour aider à répondre à ces questions de recherche, le HZDR exploite des installations à grande échelle, qui sont également utilisées par des chercheurs invités : le Ion Beam Center, le Dresden High Magnetic Field Laboratory et le ELBE Center for High-Power Radiation Sources.
HZDR est membre de l’Association Helmholtz et compte six sites (Dresde, Freiberg, Görlitz, Grenoble, Leipzig, Schenefeld près de Hambourg) avec près de 1 500 membres du personnel, dont environ 670 scientifiques, dont 220 doctorants. candidats.

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