Comment fonctionnent les ondes térahertz et pourquoi sont-elles importantes ?

Le chaînon manquant du spectre électromagnétique

Entre les mondes familiers des fours à micro-ondes et des télécommandes infrarouges se trouve une portion du spectre électromagnétique que les scientifiques ont longtemps eu du mal à exploiter. Le rayonnement térahertz (THz) – des ondes électromagnétiques oscillant entre 0,1 et 10 billions de cycles par seconde – occupe ce terrain intermédiaire. Pendant des décennies, la difficulté de générer et de détecter ces ondes a valu à cette bande de fréquences un surnom peu flatteur : le « trou térahertz ».

Ce trou se comble désormais rapidement. Les progrès de la photonique, de la conception des semi-conducteurs et de l'ingénierie laser ont transformé les ondes térahertz, d'une curiosité de laboratoire, en un outil pratique avec des applications dans la médecine, la sécurité, la fabrication et les réseaux sans fil de nouvelle génération.

Ce qui rend les ondes térahertz spéciales

Les ondes térahertz ont des longueurs d'onde allant d'environ 30 micromètres à 3 millimètres, plus courtes que les micro-ondes mais plus longues que la lumière infrarouge. Cela leur confère une combinaison unique de propriétés. Comme les ondes radio, elles peuvent pénétrer les tissus, les plastiques, le papier et la céramique. Comme la lumière, elles transportent suffisamment d'énergie pour produire des images à haute résolution. Contrairement aux rayons X, leurs énergies photoniques (0,4 à 40 milliélectronvolts) sont bien trop faibles pour ioniser les atomes, ce qui les rend sans danger pour les tissus biologiques.

Le rayonnement térahertz est également fortement absorbé par l'eau et interagit de manière distinctive avec de nombreuses molécules organiques. Chaque substance produit une « empreinte » térahertz caractéristique, permettant aux ondes d'identifier les compositions chimiques sans contact physique.

Sécurité : voir à travers les vêtements sans rayons X

La sécurité aéroportuaire et des transports en commun a été l'une des premières applications concrètes. Étant donné que les ondes térahertz traversent les tissus mais se réfléchissent sur les métaux, les plastiques et les explosifs, les scanners peuvent détecter les armes dissimulées et la contrebande sans exposer les personnes aux rayonnements ionisants. Selon Nature, des systèmes de détection à distance térahertz sont déjà déployés dans des centres de transport dans 18 pays, notamment dans le métro de Londres et le métro de Los Angeles.

Médecine : imagerie sans danger

Dans le domaine de la santé, l'imagerie térahertz est particulièrement prometteuse pour la détection du cancer. Les tissus cancéreux absorbent les ondes térahertz différemment des tissus sains en raison de leur teneur en eau plus élevée et de leur structure cellulaire altérée. Des chercheurs ont démontré que l'imagerie pulsée térahertz peut distinguer les tissus mammaires malins des tissus bénins avec des taux de précision approchant les 88 %, selon des études publiées dans Light: Science & Applications.

La technologie présente également un potentiel pour l'examen des brûlures, la détection des caries dentaires et le guidage des chirurgiens lors de l'ablation de tumeurs, le tout sans le risque cumulatif de rayonnement lié à une exposition répétée aux rayons X.

Fabrication et contrôle qualité

Les ondes térahertz peuvent scruter l'intérieur des produits sans les ouvrir ni les endommager. Les entreprises pharmaceutiques utilisent la spectroscopie térahertz pour vérifier les enrobages des comprimés. Les constructeurs automobiles inspectent l'épaisseur de la peinture. Les usines de semi-conducteurs vérifient l'intégrité de l'emballage des puces. Étant donné que différents matériaux produisent des signatures spectrales distinctes, un seul scan térahertz peut vérifier simultanément l'intégrité structurelle, l'épaisseur des couches et la composition chimique.

La connexion 6G

L'application la plus transformatrice se profile peut-être à l'horizon. La bande sub-térahertz (100–300 GHz) devrait largement devenir la pierre angulaire des réseaux sans fil 6G. Selon Ericsson, ces fréquences offrent une largeur de bande énorme qui pourrait permettre des vitesses sans fil dépassant un térabit par seconde, soit environ 100 fois plus rapides que les meilleures connexions 5G.

Des défis subsistent. Les signaux térahertz subissent une forte absorption atmosphérique, ce qui limite leur portée. Pour surmonter cet obstacle, il faudra des réseaux denses de stations relais, des antennes très directionnelles et des techniques avancées de formation de faisceaux. Mais comme l'a noté IEEE Spectrum, la vision de la communauté scientifique concernant la communication térahertz est passée de la « science-fiction » au « défi d'ingénierie » en seulement deux décennies.

Pourquoi le trou se comble-t-il enfin ?

Le trou térahertz a persisté parce que la gamme de fréquences se situe maladroitement entre deux familles de technologies matures. L'électronique traditionnelle ralentit à mesure que les fréquences augmentent vers le térahertz ; les dispositifs optiques conventionnels perdent en efficacité à mesure que les longueurs d'onde s'étirent vers cette fréquence. Combler ce fossé a nécessité des approches entièrement nouvelles : lasers à cascade quantique, antennes photoconductrices ultrarapides et nouveaux matériaux semi-conducteurs.

Avec la maturation de ces outils, la technologie térahertz passe des laboratoires de recherche aux aéroports, aux hôpitaux, aux usines et, à terme, aux smartphones. Les ondes invisibles que la science pouvait à peine détecter pourraient bientôt être aussi courantes que le Wi-Fi.