Il existe un vide dans le spectre électromagnétique où les ingénieurs ne peuvent pas marcher.
Le spectre couvre tout, des ondes radio et des micro-ondes à la lumière qui atteint nos yeux, en passant par les rayons X et les rayons gamma. Et les humains ont maîtrisé l'art de les envoyer et de les recevoir presque tous.
Il y a cependant une exception. Entre les faisceaux de lumière visible et les blips de radio statique, il y a une zone morte où notre technologie n'est pas efficace. C'est ce qu'on appelle l'écart térahertz. Depuis des décennies, personne n'a réussi à créer un appareil grand public capable de transmettre des ondes térahertz.
"Il existe une longue liste d'applications potentielles", déclare Qing Hu, ingénieur électricien au MIT.
Mais certains chercheurs progressent lentement. S'ils réussissent l'atterrissage, ils pourraient ouvrir une toute nouvelle suite de technologies, comme le successeur du Wi-Fi ou un système de détection plus intelligent du cancer de la peau.
Considérez l'écart térahertz comme une frontière. Sur le côté gauche, il y a des micro-ondes et des ondes radio plus longues. Sur le côté droit se trouve le spectre infrarouge. (Certains scientifiques appellent même l'écart térahertz "infrarouge lointain".) Nos yeux ne peuvent pas voir l'infrarouge, mais en ce qui concerne nos technologies, c'est comme la lumière.
Les ondes radio sont cruciales pour la communication, en particulier entre les appareils électroniques, ce qui les rend universelles dans l'électronique d'aujourd'hui. La lumière alimente les fibres optiques qui sous-tendent Internet. Ces domaines de la technologie se nourrissent généralement de différentes longueurs d'onde et coexistent difficilement dans le monde moderne.
Mais les deux royaumes ont du mal à aller loin dans la zone neutre térahertz. Les composants électroniques standard, comme les puces en silicium, ne peuvent pas faire leur travail assez rapidement pour produire des ondes térahertz. Les technologies produisant de la lumière comme les lasers, qui sont tout à fait à l'aise dans l'infrarouge, ne fonctionnent pas non plus avec les ondes térahertz. Pire encore, les ondes térahertz ne durent pas longtemps dans l'atmosphère terrestre :la vapeur d'eau dans l'air a tendance à les absorber après seulement quelques dizaines de mètres.
Il y a quelques longueurs d'onde térahertz qui peuvent se faufiler à travers la vapeur d'eau. Les astronomes ont construit des télescopes qui capturent ces bandes, qui sont particulièrement utiles pour voir la poussière interstellaire. Pour une utilisation optimale, ces télescopes doivent être stationnés dans les endroits les plus hauts et les plus secs de la planète, comme le désert d'Atacama au Chili, ou en dehors de l'atmosphère dans l'espace.
Le reste de l'espace térahertz est enveloppé de brume. Des chercheurs comme Hu essaient de résoudre ce problème, mais ce n'est pas facile.
Lorsqu'il s'agit d'exploiter les ondes térahertz, le monde de l'électronique est confronté à un problème fondamental. Pour entrer dans l'espace, les puces de silicium de nos appareils électroniques doivent pulser rapidement, à des milliards de cycles par seconde (d'où un térahertz). Les puces de votre téléphone ou de votre ordinateur peuvent parfaitement fonctionner à des millions ou des milliards de cycles par seconde, mais elles ont du mal à atteindre les billions. Les composants térahertz hautement expérimentaux qui fonctionnent peuvent coûter autant qu'une voiture de luxe. Les ingénieurs travaillent pour faire baisser les prix.
L'autre domaine, le monde de la lumière, a longtemps cherché à fabriquer des dispositifs comme des lasers qui pourraient créer à moindre coût des ondes térahertz à des fréquences spécifiques. Les chercheurs parlaient de la façon de fabriquer un tel laser dès les années 1980. Certains pensaient que c'était impossible.
Mais Hu du MIT ne le pensait pas. "Je ne savais rien sur la façon de fabriquer des lasers", dit-il. Pourtant, fabriquer ce genre de laser est devenu sa quête.
Puis, en 1994, des scientifiques ont inventé le laser à cascade quantique, particulièrement efficace pour produire de la lumière infrarouge. Tout ce que Hu et ses collègues devaient faire était de pousser le laser vers les ondes plus longues de l'infrarouge lointain.
Vers 2002, ils ont réussi à fabriquer un laser à cascade quantique térahertz. Mais il y avait un hic :le système avait besoin de températures autour de -343 degrés Fahrenheit pour se déclencher. Il nécessitait également de l'azote liquide pour fonctionner, ce qui le rendait difficile à utiliser en dehors du laboratoire ou des paramètres cryogéniques.
Au cours des deux décennies qui ont suivi, ce seuil de température a augmenté. Les derniers lasers du laboratoire de Hu fonctionnent à une température plus douce de 8 degrés Fahrenheit. Ce n'est pas tout à fait la température ambiante, mais il fait suffisamment chaud pour que le laser puisse être refroidi à l'intérieur d'un réfrigérateur portable et transporté hors du laboratoire. Pendant ce temps, en 2019, une équipe de Harvard, du MIT et de l'armée américaine a créé un laser térahertz de la taille d'une boîte à chaussures capable de modifier le gaz moléculaire.
Pendant le temps qu'il a fallu à Hu pour affiner son laser, l'électronique a également fait des progrès. Les progrès dans la construction des puces et les matériaux qui les composent les ont poussés à fonctionner de plus en plus vite. (Une puce nanoplasma fabriquée par un groupe en Suisse en 2020 était capable de transmettre 600 milliwatts d'ondes terhertz, mais encore une fois, uniquement en laboratoire.) Alors que les ingénieurs électriciens veulent voir plus de progrès, concevoir des composants térahertz n'est pas le rêve lointain qu'il était autrefois.
"Maintenant, nous pouvons vraiment créer des systèmes très compliqués sur la puce", déclare Ruonan Han, ingénieur électricien au MIT. "Je pense donc que le paysage est en train de changer."
"Ce qui s'est passé au cours des trente dernières années, c'est que des progrès ont été réalisés des deux côtés", déclare Mark Sherwin, physicien à l'Université de Californie, Santa Barbara's Terahertz Facility. "C'est encore relativement rare, mais je dirais, beaucoup, beaucoup, beaucoup plus courant... et beaucoup plus facile."
De telles échelles de temps de plusieurs décennies sont courantes dans un monde où les nouvelles technologies tourbillonnent dans des cycles de battage médiatique et de déception. Parmi les ingénieurs, le térahertz ne fait pas exception.
Pour l'instant, les deux royaumes essayant d'entrer dans la zone sombre térahertz de part et d'autre restent largement séparés. Malgré tout, ils offrent au monde scientifique de nouvelles capacités dans un large éventail de disciplines.
Certaines de ces capacités pourraient accélérer la communication. Votre Wi-Fi fonctionne avec des micro-ondes :les térahertz, avec des fréquences plus élevées que les micro-ondes, pourraient forger une meilleure connexion plus rapidement. Grâce à un fil, il pourrait également créer un croisement ultra-rapide entre l'USB et la fibre optique.
Les ondes térahertz sont également idéales pour détecter des substances. "Presque chaque molécule a un spectre" d'empreintes digitales "dans la gamme de fréquences térahertz", explique Sherwin. Cela rend les ondes térahertz optimales pour détecter les produits chimiques comme les explosifs et les molécules des médicaments. Les astronomes utilisent déjà cette capacité pour examiner les compositions chimiques de la poussière cosmique et des objets célestes. Plus près de la Terre, Han envisage un "nez électronique" térahertz qui pourrait même discerner les odeurs dans l'air.
Ces signatures térahertz rendent également l'infrarouge lointain idéal pour scanner des personnes et des objets. Les ondes térahertz peuvent voir à travers des choses que la lumière ne peut pas voir, comme les vêtements, avec l'avantage d'éviter les rayonnements ionisants potentiellement nocifs comme les rayons X. Les agents de sécurité ont déjà manifesté leur intérêt pour la technologie.
La seule caractéristique de balayage qui manque aux ondes térahertz est qu'elles ne peuvent pas traverser l'eau - dans l'air et dans le corps humain. Mais ce n'est pas un obstacle pour la médecine. Un médecin pourrait utiliser un appareil térahertz pour dépister les signes subtils de cancer de la peau que les rayons X pourraient manquer; ou un neuroscientifique pourrait l'utiliser pour scanner le cerveau d'une souris.
Plus près de la Terre, Han envisage un "nez électronique" térahertz qui pourrait même discerner les odeurs dans l'air.
Hu pense que la recherche en est encore à ses débuts. "Si nous pouvons développer des outils qui peuvent vraiment voir quelque chose et ne pas prendre une éternité pour scanner une zone, cela pourrait vraiment inciter les praticiens potentiels à jouer avec", dit-il. "C'est une question ouverte."
Une grande partie de l'écart térahertz reste un point vide sur les cartes des chercheurs, ce qui signifie que l'équipement utilisant les ondes infrarouges lointaines convoitées n'est tout simplement pas encore courant.
"Les chercheurs n'ont vraiment pas beaucoup d'occasions d'explorer ce à quoi [les ondes térahertz] peuvent être efficaces", déclare Han. Donc, pour l'instant, le monde le plus rapide et le plus sensible à l'intérieur de l'écart reste largement dans leur imagination.
