rayonnement térahertz

Une corde tendue émet un son plus aigu lorsqu'on la tend davantage. C'est à peu près ce que fait l'aimantation dans un antiferromagnétique : plus le champ externe est fort, plus elle oscille rapidement. Mais dans le cristal d'oxyde de chrome, quelque chose ne s'est pas passé comme prévu.

Le ciel nocturne est plein d'anneaux et de bulles, mais en radio, ils se présentent autrement. Dans les données du radiotélescope australien ASKAP, une structure est apparue, semblable à deux bulles de savon soufflées avec la même paille.

Le tireur vise la cible, appuie sur la détente — et entend deux détonations : l'une forte, l'autre plus discrète. C'est ainsi que fonctionne le nouveau dispositif, sauf qu'au lieu de balles, on a un paquet d'électrons, et au lieu de coups de feu, deux éclairs de lumière. L'un est un rayon X, l'autre est térahertz. Ils se dirigent vers un même point avec un intervalle parfait.

Jetez une pierre dans l'eau : près du point d'impact, les vagues sont chaotiques — c'est le champ proche. Plus loin, elles s'étalent en cercles réguliers — le champ lointain. Ce même principe régit les antennes pour la communication térahertz, l'avenir de l'Internet ultra-rapide.

Les sursauts radio rapides — des impulsions radio millisecondes provenant de galaxies lointaines — sont longtemps restés une énigme.

Une pile soignée de couches atomiques repose sur un substrat. Un faisceau invisible de lumière térahertz tombe par-dessus, et un champ magnétique est appliqué sur le côté. Après réflexion, le faisceau tourne légèrement sa polarisation.

Un laser ordinaire émet des raies fines, comme une corde qui ne joue qu'une seule note. Pour la spectroscopie, c'est gênant : si une substance absorbe la lumière entre les raies, on peut ne pas la remarquer.

Habituellement, pour produire des ondes térahertz (une lumière située entre les micro-ondes et l'infrarouge), on construit un sandwich de métaux différents. Une couche sert de source, l'autre de collecteur de charges. Dans ces montages, le platine jouait le rôle de simple conducteur. Mais il s'avère qu'il peut fonctionner seul.

La lumière frappe un film mince — et un courant électrique y apparaît instantanément. C'est le principe d'une paire de matériaux : le disulfure de molybdène et le cobalt. Le premier est un semi-conducteur, le second un aimant. Entre eux, comme on l'a découvert, naît une couche intermédiaire invisible.

Le cristal Ca2RuO4 ressemble à une pile de fines feuilles. À l'intérieur de chaque feuille, les spins des électrons sont alignés dans un ordre strict, comme des soldats au garde-à-vous. Entre les feuilles, la liaison est faible, et son signe peut être inversé en tirant légèrement sur les côtés du cristal.

Les rayons gamma sont les éclairs de lumière les plus énergétiques qui naissent au cœur des atomes. Leur énergie est comme une empreinte digitale : chaque élément radioactif a son propre motif. Mais mesurer ce motif avec une grande précision, c'est comme peser un grain de sable sur une balance posée sur un camion qui vibre.

Une feuille de graphène est un réseau d'atomes de carbone en forme de nid d'abeilles. Les électrons y filent si vite qu'on dirait qu'ils n'ont pas de masse, comme la lumière. Quand une impulsion laser puissante frappe cette feuille, les électrons reçoivent un coup de pied et commencent à accélérer.

On peut peigner la lumière, comme on peigne des cheveux. Au lieu des cheveux, ce sont des fréquences ; au lieu du peigne, c'est un laser. On obtient un peigne composé de milliers de « dents » de fréquences régulières. Un tel peigne de lumière aide à étudier les molécules et à mesurer le temps avec une précision de l'ordre de la quadrillionième de seconde.

Le rayonnement térahertz se situe entre les micro-ondes et la lumière infrarouge. Il traverse les vêtements, le papier et le plastique, mais est arrêté par l'eau et le métal. C'est pourquoi ces ondes sont utilisées dans les scanners de sécurité et pour le contrôle qualité des matériaux.

Une même explosion peut sonner différemment — tout dépend de la direction du vent. En 2024, des chercheurs ont fait exploser deux charges équivalentes à dix tonnes de TNT et enregistré le son avec un réseau de 31 microphones répartis dans un rayon de 23 kilomètres. La source était identique, mais les paysages sonores étaient très différents.

Le rayonnement térahertz se situe entre les micro-ondes et la lumière infrarouge. Il traverse les vêtements, le papier et le plastique, mais pas le métal ni l'eau. On l'utilise donc dans les scanners de sécurité et l'imagerie médicale. Pour observer la polarisation d'un tel rayonnement, il faut un détecteur.

Une tasse chaude ou une main humaine émettent une lumière invisible : le rayonnement infrarouge moyen. Chaque substance absorbe cette lumière à sa manière, laissant une « empreinte digitale » unique. Grâce à cette empreinte, on peut savoir de quoi est fait un objet sans le toucher.

La résonance magnétique, c'est comme un diapason qui ne vibre que sur sa note. Chaque molécule a sa propre fréquence, et grâce à elle, on peut identifier la molécule et son état. Mais avant, on écoutait ce diapason à travers un mur épais : le signal était flou et on ne pouvait pas distinguer la note exacte.

Les ondes térahertz se situent entre les micro-ondes et la lumière infrarouge. Elles traversent le papier, le plastique et le tissu, mais pas le métal ni l'eau. On peut donc inspecter des colis sans les ouvrir, ou scanner des bagages à l'aéroport. Mais les récepteurs de ces ondes étaient jusqu'ici fabriqués à partir de matériaux coûteux comme l'arséniure de gallium.

L'électron est une particule minuscule, mais dans un cristal, il se comporte comme s'il avait une masse différente. C'est ce qu'on appelle la masse effective. Pour la mesurer, les physiciens font courir les électrons en rond dans un champ magnétique — comme un patineur sur une patinoire à qui l'on ne permet pas de quitter son orbite.

Il existe une portion de la lumière qui est restée longtemps une tache aveugle : de 5 à 15 térahertz. Ce ne sont ni des ondes radio, ni la chaleur infrarouge, mais quelque chose entre les deux, où les molécules vibrent de manière particulièrement caractéristique.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre qui ne joue que dans un silence absolu. Le moindre bruit, et la mélodie fragile s'effondre.

Le radiotélescope RATAN-600 est un anneau de centaines de panneaux d'aluminium sur le flanc d'une montagne en Karatchaïévo-Tcherkessie. Au printemps 2018, son miroir a capté les ondes radio de seize naines rouges — des étoiles petites, sombres, mais à la très longue durée de vie.