GDR Nanoteramir
Nanodispositifs pour le THz et le MIR n°3703
 

Thématiques


Le GDR s’articule en cinq axes, chacun de ces axes traitant aussi bien des fréquences THz et MIR. Par conséquent, il y a deux coordinateurs par axe, un spécialiste du domaine de fréquence THz et un spécialiste du domaine de fréquence MIR.

Axe 1 : Structures basse dimensionnalité

Cet axe thématique a pour vocation de tisser des liens et de favoriser les échanges entre les différents acteurs de la recherche française dans les domaines de fréquences THz/MIR et des nanomatériaux. Son objectif scientifique est d’enrichir les connaissances fondamentales sur les propriétés physiques des nanomatériaux et de promouvoir l’émergence de nouveaux concepts, dispositifs et instrumentations THz et MIR. En associant les savoir faire pour la conception et la synthèse de nanomatériaux nouveaux (graphène, isolants topologiques, semi-métaux de Dirac et de Weyl,...) et les expertises en spectroscopie THz et MIR, des études fondamentales uniques pourront être réalisées et de nouvelles connaissances sur les propriétés physiques particulières de ces nanomatériaux émergeront. Les ondes Térahertz offrent par exemple un outil alternatif très efficace de caractérisation des surfaces semi-conductrices topologiquement protégées et possédant une texture de spin. L’axe nanomatériaux est connecté à l’ensemble des autres axes thématique, mais se trouve particulièrement proche de l’axe "nanodispositifs" avec comme frontière commune évidente, l’activité liée aux matériaux nanostructurés. Enfin, tout comme les autres axes, l’un des objectifs est d’aider les jeunes scientifiques à se former aux techniques de spectroscopie THz, MIR, à la conception et à la synthèse des nanomatériaux.

La magnétospectroscopie THz/MIR permet par exemple d’étudier les hétérostructures à base de HgCdTe de différentes dimensionnalités aux transitions topologiques et ici, de mettre en évidence un nouveau type de fermions ultra-relativistes, dits de Kane .

La maîtrise de la conception et de synthèse des nanomatériaux permet de leur conférer les propriétés optiques souhaitées ou d’en concevoir de nouvelles. Les figures ci-dessus permettent de mettre en évidence le degré le maîtrise atteint dans l’épitaxie par jet moléculaire pour l’obtention de nanostructures à cascade quantique (AlSb/InAs) permettant d’émettre un rayonnement électromagnétique cohérent jusqu’à 21 µm (Appl. Phys. Lett. 104, 021106 (2014)) (Fig. de gauche) ou d’enterrer des résonateurs plasmoniques (InAsSb) dans une matrice de GaSb par reprise d’épitaxie (Fig. de droite).

Axe 2 : Nanodispositifs

Cet axe a pour vocation d’établir un pont entre les deux approches (et les deux communautés scientifiques, parfois séparées) permettant de concevoir de nanodispositifs pour le THz et le MIR. Il s’agit de favoriser l’émergence de nouveaux concepts mêlant approche classique et quantique pour la réalisation de dispositifs innovants capables de bouleverser ces domaines et de favoriser l’émergence d’applications : sources puissantes à bas coût / température ambiante, réseaux de détecteurs ultra-sensibles à température ambiante. Cela permettra de fédérer une communauté travaillant pour le moment sur des problèmes connexes mais de façon séparée.

Les thématiques abordées sont : Sources : lasers à cascade quantique, photomélange, transistors THz, modulation des sources. Détecteurs : détecteurs quantiques, détecteurs non-linéaires, détecteurs bolométriques. Antennes, confinement sub-longueur d’onde, plasmonique THz/MIR.

Axe 3 : Instrumentation

L’axe « Instrumentation » du GDR a pour vocation de réunir toutes les équipes de recherche qui développent de l’instrumentation avancée dans le but de générer, guider, ou détecter des ondes infrarouges ou térahertz, ou d’utiliser ces ondes dans des applications telles que l’imagerie, la spectroscopie, les capteurs, la communication, etc. Les équipes réunies dans l’axe « Instrumentation » pourront partager l’expertise qu’elles ont acquise dans le domaine du moyen infrarouge et du térahertz, et discuter et démontrer le potentiel des instruments qu’elles développent. Nous souhaitons profiter de l’émergence de nouveaux systèmes qui utilisent à la fois les ondes du moyen infrarouge et du térahertz (exemple : l’emploi de lasers à cascade quantique moyen infrarouge pour générer des ondes térahertz à température ambiante) pour créer, via l’instrumentation, une action qui s’établit transversalement entre les domaines du moyen infrarouge et du térahertz. De plus, la réunion au sein d’un même axe de chercheurs travaillant dans le domaine du moyen infrarouge ou du térahertz, créera de nouvelles synergies. Cette situation sera favorable à faire émerger de nouveaux concepts situés à l’interface entre le moyen infrarouge et le térahertz, mais devrait également favoriser la transposition d’idées empruntées à un domaine spectral pour les appliquer à l’autre.

Le domaine de l’instrumentation est par définition très vaste et présente naturellement des recouvrements avec d’autres axes. Quelques thématiques abordées dans l’axe « Instrumentation » du GDR « Nanodispositifs pour le THz et le MIR » sont données ci-dessous, mais cette liste n’est certainement pas exhaustive :
- Sources et détecteurs pour le MIR/THz
- Guides d’ondes, antennes et propagations
- Microscopies de champ proche et super-résolution dans le MIR/THz
- Systèmes pour l’imagerie et le contrôle non-destructif
- Systèmes pour la spectroscopie et applications
- Systèmes de spectroscopie résolue en temps et systèmes à peignes de fréquence
- Génération de champs MIR/THz intenses : lasers impulsionnels de forte puissance, grands instruments, …
- Spectroscopie à haute sensibilité à l’aide de lasers à cascade quantique
- Capteurs, dispositifs intégrés, et systèmes de communications
- …

Axe 4 : Applications

Cet axe de recherche a pour but de mettre en lien les différents acteurs des technologies clés du THz et MIR de façon à développer des applications s’étendant au domaine spectral voisin, comme par exemple les applications en champ proche. Il s’agit de promouvoir et accélérer le transfert des connaissances et de savoir-faire d’un laboratoire spécialiste vers un autre utilisateur (par exemple dans le domaine des applications des QCL). L’analyse multi-fréquences THz-MIR présente également un gros potentiel en spectroscopie ou en imagerie, permettant ainsi l’analyse des objets complexes par une approche multi-échelle. Enfin, il faut également encourager et identifier l’émergence de nouvelles applications par la croisée de cultures différentes. Cet axe est clairement en relation aval avec les axes 1, 2 et 3(objets d’étude potentiels, instrumentation spécifique et dispositifs sub-longueur d’onde) tout en recherchant la valorisation avec l’axe 5 qui nouveaux développements applicatifs.

Voici quelques exemples de thématiques abordées par cet axe de recherche :
• Spectroscopie et caractérisation multi-échelle MIR-THz sur macromolécules (protéines, ADN), aérosols et astrophysique.
• Imagerie biomédicale en champ proche sub-longueur d’onde
• Dispositifs d’optiques passifs : guide d’onde, miroir, lentille, polariseur…
• Capteurs à gaz, le suivi de processus industriel ou le diagnostic médical.
• Augmentation des dispositifs de télécommunication par up-conversion.

Axe 5 : Valorisation

Cet axe vise à mener une réflexion conjointe entre laboratoires académiques et industriels autour de la maturation des avancées scientifiques et des moyens de favoriser le transfert des technologies développées dans le cadre de la thématique du GDR.
A ce jour, en effet, tant dans le domaine des THz que dans celui du moyen I.R, des avancées majeures sont apportées par les nanotechnologies et la maitrise des nanodispositifs (puissance des sources, sensibilité des détecteurs, intégration,…). Ces avancées profitent également du niveau de maturité élevé atteint aujourd’hui par exemple par la cryogénie souvent nécessaire à leur mise en œuvre, mais également de la disponibilité d’outils de simulation commerciaux diffusant dans le monde industriel.
Dans le cadre de cet axe, nous proposons, via un sous-groupe de travail spécifique se réunissant régulièrement (typ. 4 fois par an) et rassemblant industriels (Thales, Airbus, III-V Lab, SOFRADIR ont déjà confirmé) et acteurs académiques afin :
-  d’identifier les pistes de valorisation
-  de promouvoir les technologies développées
-  de collecter des besoins industriels futurs susceptibles d’orienter les recherches couvertes par le GDR
-  de favoriser l’insertion des doctorants issus du GDR dans le monde industriel.