La Spectroscopie Térahertz
Un Nouvel Outil pour l'Analyse des Matériaux
La spectroscopie Térahertz (THz) offre une méthode unique pour étudier la dynamique picoseconde des matériaux dans divers états. Historiquement, les limitations en puissance des sources et en sensibilité des détecteurs ont limité ses applications. Cependant, les avancées en technologie laser ont ouvert la voie à des systèmes THz puissants et polyvalents, y compris notre configuration de Spectroscopie dans le Domaine Temporel (THz-TDS).
Nos recherches exploitent les capacités de la THz-TDS dont l'élement clé est un laser femtoseconde qui fournit des impulsions lumineuses ultra courtes. Cette lumière interagit avec des cristaux optiques non linéaires ou des antennes photoconductrices, générant des impulsions THz qui sondent le matériau étudié. L'impulsion THz modifiée par l'échantillon interagit ensuite avec un détecteur fonctionnant sur un principe similaire à celui de l'émetteur, répondant uniquement lorsqu'il est déclenché par l'impulsion laser. En utilisant une ligne de retard mécanique, nous acquérons systématiquement plusieurs mesures du champ électrique THz (E-field) à différents délais temporels. Ces données, représentées sous forme de courbe de champ électrique en fonction de ce temps équivalent, révèlent des informations précieuses sur la structure et la dynamique du matériau à l'échelle picoseconde.
Une Spectroscopie THz-TDS à Haute Résolution pour profiter de la richesse de l'information des spectres en phase gazeuse
La gamme térahertz (THz) se distingue par sa sélectivité exceptionnelle envers les composés organiques volatils, dépassant même les performances de la gamme des empreintes infrarouge pourtant bien établie ([Smith, 2015]). Partant de ce constant, notre recherche vise à exploiter toutes les informations contenues dans les traces temporelles THz-TDS pour des applications de détection de gaz.
Un défi initial crucial était de démontrer que ces traces capturent réellement les informations spectrales haute résolution des échantillons gazeux, qui se caractérisent par de nombreuses raies spectrales. Les limitations traditionnelles déculent de la dépendance à la transformée de Fourier, affectant la résolution globale. Pour surmonter cette contrainte, nous avons mis en œuvre une méthodologie de super-résolution basée sur une approche de reconstruction contrainte ([Eliet, 2021]). Cette approche a permis une amélioration remarquable de la résolution par un facteur de 30, démontrant de manière concluante que les traces temporelles THz-TDS contiennent les informations haute résolution nécessaires pour une détection de gaz robuste.
Révéler les Secrets de la Dynamique de l'Eau avec la Spectroscopie THz
L'eau présente des propriétés uniques à l'état liquide, principalement en raison de son réseau complexe de liaisons hydrogène. Ces liaisons maintiennent ces molécules légères ensemble, les empêchant de passer à l'état gazeux. Comme pour tout matériau, la fonction diélectrique de l'eau est directement liée à la dynamique de ses charges internes. Pour les liquides polaires comme l'eau, la dynamique principale implique le mouvement des moments dipolaires des molécules individuelles.
Traditionnellement, le modèle de Debye, développé il y a près d'un siècle, décrivait cette dynamique à basse fréquence ([Debye, 1936]). Cependant, ce modèle repose sur plusieurs hypothèses clés : interactions négligeables entre les molécules d'eau, basses fréquences d'excitation par rapport à celle de leurs rotations, et omission de l'influence du réseau de liaisons hydrogène. Dans la gamme THz, toutes ces hypothèses s'effondrent, rendant la spectroscopie de l'eau THz à la fois scientifiquement intrigante et potentiellement importante pour la biologie moléculaire à travers l'étude des dynamiques moléculaires à l'échelle picoseconde.
Nos recherches actuelles se concentrent sur la conception d'expériences capables de fournir des mesures précises et reproductibles du spectre de l'eau THz sur une large plage de températures. De plus, nous collaborons avec des experts pour construire des modèles analytiques capables d'expliquer plus précisément le mouvement de l'eau à cette échelle de temps.
Phase Solide : révéler la Structure des Matériaux avec la Spectroscopie THz
La spectroscopie THz offre un outil précieux pour étudier la dynamique des matériaux solides à l'échelle picoseconde, comme dans les liquides et les gaz. Dans les solides organiques, elle sonde les vibrations collectives delocalisées à l'échelle nanométrique dans la structure. Comme démontré lors du débat historique entre Euler, d'Alembert et Bernoulli, il existe un lien entre la taille de l'objet et la fréquence de résonance, que l'on comrpend bien pour les instruments de musique. La spectroscopie THz exploite ce principe à l'échelle nanométrique, allant plus loin que la spectroscopie infrarouge conventionnelle, qui sonde principalement les liaisons moléculaires individuelles ou peu nombreuses.
Nos recherches récentes sur les cristaux de lactose illustrent cette capacité. Bien que possédant la même composition moléculaire (lactose), nous avons observé des spectres THz distincts pour différentes phases cristallines. Cette découverte souligne comment les variations nanométriques dans la structure cristalline impactent la réponse vibratoire du matériau dans la gamme THz, reflétant des vibrations s'étendant au-delà de la molécule unique et englobant l'échelle nanométrique.