Qu'est-ce que le rayonnement térahertz et comment fonctionne-t-il ?

La portion cachée du spectre

Entre les mondes familiers des fours à micro-ondes et des télécommandes infrarouges se trouve une bande négligée du rayonnement électromagnétique que les scientifiques ont longtemps appelée le « trou térahertz ». Le rayonnement térahertz (THz) couvre des fréquences allant d'environ 0,1 à 10 billions de cycles par seconde : trop rapide pour l'électronique conventionnelle, trop lent pour les dispositifs optiques standard. Pendant des décennies, cette zone de non-droit a manqué de sources et de détecteurs pratiques, la laissant largement inexplorée.

Ce trou se comble désormais rapidement. Les progrès de la photonique et de la science des matériaux ont débloqué les ondes térahertz pour des applications allant des scanners de sécurité aéroportuaires aux diagnostics du cancer et à la physique quantique de pointe. Un marché mondial évalué à environ 840 millions de dollars en 2025 devrait dépasser 1,7 milliard de dollars d'ici 2030, selon MarketsandMarkets.

Comment fonctionnent les ondes térahertz

Le rayonnement térahertz se situe entre les micro-ondes (utilisées dans le Wi-Fi et le radar) et la lumière infrarouge (utilisée dans les caméras thermiques) sur le spectre électromagnétique. Ses longueurs d'onde varient d'environ 30 micromètres à 3 millimètres : suffisamment petites pour imager les détails fins, mais suffisamment longues pour pénétrer de nombreux matériaux courants comme les vêtements, le carton, les plastiques et la céramique.

Deux propriétés rendent les ondes térahertz particulièrement utiles :

• Sécurité non ionisante : contrairement aux rayons X, les photons térahertz transportent très peu d'énergie et n'endommagent pas l'ADN ou les tissus vivants, ce qui les rend sûrs pour la numérisation des personnes et des échantillons biologiques.
• Empreinte moléculaire : de nombreuses molécules organiques absorbent le rayonnement térahertz à des fréquences caractéristiques en raison des vibrations de faible énergie et des transitions rotationnelles. Chaque substance produit une « empreinte » spectrale unique, permettant une identification précise des produits chimiques, des médicaments et des explosifs.

La génération d'ondes térahertz implique généralement des impulsions laser ultrarapides frappant une antenne photoconductrice ou un cristal non linéaire, qui convertit la lumière en émissions de fréquence térahertz. Les nouvelles approches utilisent des émetteurs spintroniques : de minces films magnétiques qui produisent des impulsions térahertz à large bande lorsqu'ils sont frappés par un laser femtoseconde.

Pourquoi le « trou térahertz » existait

Le trou a persisté en raison d'une inadéquation technique fondamentale. Les transistors en silicium dans l'électronique grand public fonctionnent confortablement à des milliards de cycles par seconde (gigahertz) mais ont du mal à atteindre des billions. Pendant ce temps, les lasers à semi-conducteurs fonctionnent efficacement aux fréquences infrarouges de 30 THz et plus, mais ne peuvent pas facilement descendre dans la gamme des basses fréquences térahertz. Pendant la majeure partie du XXe siècle, ni la technologie électronique ni la technologie optique n'ont pu combler ce fossé.

Les percées depuis les années 1990 — en particulier les lasers pulsés ultrarapides et les nouvelles structures de semi-conducteurs comme les lasers à cascade quantique — ont finalement donné aux chercheurs des outils fiables pour générer et détecter les ondes térahertz, selon une revue dans Light: Science & Applications.

Où la technologie térahertz est utilisée

Contrôle de sécurité

Les scanners corporels d'aéroport utilisent déjà la technologie des ondes millimétriques proche de la gamme térahertz. Les véritables imageurs térahertz peuvent voir à travers les vêtements et les emballages pour révéler les armes ou les explosifs dissimulés sans rayonnement nocif. Les applications de défense et de sécurité représentent environ un tiers du marché de la technologie térahertz.

Imagerie médicale

Parce que les ondes térahertz sont absorbées différemment par les tissus sains et cancéreux — en grande partie en raison des différences de teneur en eau — les chercheurs développent des outils de détection du cancer non invasifs. L'imagerie térahertz s'est avérée prometteuse dans l'identification des cancers de la peau, du sein et de la bouche, et peut s'avérer plus précise que les rayons X pour les diagnostics dentaires. Les soins de santé représentent environ 26 % du marché du térahertz.

Contrôle qualité industriel

Les fabricants utilisent des scanners térahertz pour inspecter les revêtements de comprimés pharmaceutiques, détecter les défauts dans les matériaux composites et vérifier la contamination des emballages alimentaires — le tout sans ouvrir ni détruire le produit.

Physique fondamentale

Dans une étude historique de 2026 publiée dans Nature, des physiciens du MIT ont construit un microscope térahertz qui a révélé des mouvements quantiques cachés à l'intérieur d'un supraconducteur à haute température pour la première fois. En sondant avec la lumière térahertz, l'équipe a observé des électrons supraconducteurs oscillant collectivement — un phénomène invisible aux autres techniques. De telles connaissances pourraient accélérer la recherche de supraconducteurs à température ambiante.

Ce qui va suivre

La course est lancée pour rendre les appareils térahertz plus petits, moins chers et plus rapides. Les chercheurs explorent les communications sans fil térahertz qui pourraient éventuellement fournir des débits de données bien au-delà de la 5G. Des caméras térahertz compactes en temps réel pourraient révolutionner le contrôle qualité dans les usines. Et à mesure que les sources et les détecteurs continuent de s'améliorer, le trou autrefois vide dans le spectre électromagnétique devient l'une de ses frontières les plus prometteuses.