Des supraconducteurs pourraient combler la lacune du terahertz
La gamme des THz du spectre électromagnétique reste peu utilisée. Les dispositifs à semi-conducteurs ne peuvent générer des fréquences aussi élevées, qui sont en revanche trop basses pour les lasers à semi-conducteurs. C'est dommage, car de nombreux domaines bénéficieraient de dispositifs fonctionnant de 0,3 à 30 THz, dont l'astronomie, la biologie, la chimie et la physique. Cette multitude d'opportunités a intéressé des chercheurs financés par l'UE. Dans le cadre du projet THZ RADIATION (Controlling terahertz radiation using layered superconductors), ils ont montré que des tourbillons Josephson, en déplacement dans des supraconducteurs en couches à modulation périodique, pourraient générer des rayonnements THz. Une jonction Josephson est réalisée en prenant en sandwich une mince couche de matériau isolant entre deux couches de supraconducteurs. Ces jonctions montrent des effets quantiques inhabituels. En particulier, l'application d'une tension déclenche un courant oscillant, et la jonction émet des photons à une fréquence correspondant à la largeur de la bande interdite du supraconducteur. Ceci revient à dire que la jonction Josephson émet un rayonnement électromagnétique. Il est, cependant, difficile de synchroniser les jonctions et d'obtenir un faisceau cohérent de rayonnements, avec toutes les ondes en phase. Les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques sophistiquées pour étudier l'impact sur le rayonnement de points magnétiques situés hors du plan. Ils ont constaté que l'application simultanée de courant alternatif et de courant continu pouvait résoudre ce problème. Comme pour un laser, la technique pour émettre les ondes en phase est de faire varier la tension appliquée jusqu'à ce que la fréquence de l'émission corresponde à la fréquence caractéristique du système. À ce moment, les oscillations induites dans les couches par la structure de tourbillon sont en phase. En fait, les jonctions sont «incitées» à se synchroniser lorsque les tourbillons forment une structure rectangulaire. En revanche, la synchronisation est impossible en cas de petites déviations des parois du système par rapport à leur position verticale. Les chercheurs ont étudié d'autres conditions (initiales ou aux limites) affectant le comportement collectif d'ensembles de jonctions Josephson. Ils voulaient déterminer les facteurs contribuant à une dynamique moins ordonnée de tourbillons Josephson structurés en carrés. Les travaux du projet THZ RADIATION ouvriront la voie au développement de dispositifs émettant des ondes THz, avec une fréquence et une puissance réglables sur une large plage. La forte puissance augmentera le rapport signal/bruit, au bénéfice de systèmes de détection et d'imagerie plus rapides et fiables.
Mots‑clés
Supraconducteurs, rayonnement électromagnétique, gamme des THz, jonctions Josephson, THZ RADIATION, détection, imagerie