spectroscopie térahertz

Un projecteur de théâtre maintient l'acteur dans son faisceau, où qu'il aille. Le radar térahertz dont il est question fait de même avec une impulsion lumineuse courte réfléchie par un objet en mouvement. Les ondes térahertz se situent entre les micro-ondes et la lumière infrarouge.

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 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.

La lumière qui traverse un verre d'eau trouble s'affaiblit : une partie est absorbée. C'est ainsi que fonctionnent de nombreux instruments d'analyse de liquides : ils mesurent la perte de lumière et en déduisent la composition. Mais si le liquide est hétérogène, comme une soupe avec des morceaux, une seule valeur ne suffit pas : il faut savoir où l'absorption est la plus forte.

La cloche ne sonne pas sous l'impact, mais sous le frémissement éphémère de l'espace. Une onde gravitationnelle – comme une ride sur un étang – traverse un aimant massif, qui se déforme légèrement. Cette déformation peut être convertie en signal électrique.

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.

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.

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles sont des microphones qui écoutent les frémissements de l'espace. Mais leur propre bruit étouffe les signaux faibles.

La matière noire, cette masse invisible qui maintient les galaxies ensemble. Sa nature est inconnue, mais l'un des candidats probables est l'axion, une particule ultra-légère qui interagit à peine avec la matière. Pour l'attraper, des physiciens ont créé un piège hybride.

Les ondes radio qui oscillent moins d'une fois par seconde traversent la terre et l'eau presque sans perte. De tels signaux sont utilisés pour communiquer avec les sous-marins et pour la prospection minière. Mais une antenne classique devrait mesurer des centaines de mètres pour les capter, et sa sensibilité laisse à désirer.

La lumière que nous ne voyons pas, mais que nous ressentons comme chaleur, s'est révélée être la clé de la vie cellulaire. Un nouveau type de microscope utilise des ondes de 2000 à 2500 nanomètres de longueur — soit trois fois plus longues que la lumière rouge — et ces ondes se dispersent à peine dans les tissus.

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.

C'est Albert Einstein qui avait prédit les ondes gravitationnelles — ces frémissements de la trame même de la courbure de l'espace-temps.

Un four incandescent dans un atelier ou l'échappement brûlant d'une turbine, ce n'est pas seulement de la chaleur, c'est aussi une lumière invisible à l'œil humain. Les panneaux solaires classiques captent la lumière visible, mais ici il faut un récepteur pour le rayonnement thermique invisible.

La lumière dans l'eau trouble se comporte comme une personne dans un épais brouillard : chaque pas est une collision, et l'image se brouille. C'est pourquoi un microscope ordinaire ne voit pas à travers la peau ou le lait.

Un laser à électrons libres ordinaire ressemble à un instrument de musique à une seule corde : il ne peut jouer qu'une seule note tant qu'on ne modifie pas sa conception. Pour obtenir une autre longueur d'onde, il faut régler les aimants ou accélérer davantage les électrons. C'est coûteux et encombrant.

La lumière qui traverse un gaz laisse sur le spectre de fines bandes sombres, traces d'absorption. Les molécules d'acétonitrile, semblables à de minuscules antennes, ne répondent qu'à des fréquences strictement définies. Mais lorsque ces raies sont nombreuses et rapprochées, les signaux se chevauchent, comme des voix dans une pièce bruyante.

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 corde de guitare effleurée du doigt vibre – et l'air autour d'elle transmet ce frémissement à l'oreille. L'espace-temps vibre autrement : lorsqu'une onde gravitationnelle le traverse, il s'étire et se compresse légèrement.

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.

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 film mince d'un composé de bismuth et de sélénium repose sur un substrat. Une impulsion laser d'une durée d'un millionième de milliardième de seconde le frappe. À côté, un aimant est activé, dont le champ est plus faible que celui d'un aimant de frigo.

En octobre 2022, l'observatoire LHAASO a mesuré le spectre (distribution des énergies) du sursaut gamma GRB 221009A — le plus brillant jamais enregistré. Sa lumière a voyagé pendant deux milliards d'années et était si intense qu'elle a perturbé les couches supérieures de l'atmosphère terrestre.