Détection THz avec des nanodispositifs supraconducteurs – T SUN

La région THz du spectre électromagnétique est un domaine de recherche à la frontière de nombreuses disciplines dont la physique, l’astronomie, la chimie, la science des matériaux ou encore la biologie et la médecine. En effet, les ondes THz se propagent au travers de matériaux légers et dans l'atmosphère dans certaines fenêtres spectrales, permettant de faire des images dans des situations où les techniques optiques conventionnelles ne le peuvent pas, à travers le brouillard, les tissus biologiques, les vêtements, les murs. Les ondes THz peuvent aussi être utilisées pour des communications à très haut débit, grâce à leur fréquence élevée. De plus, la plupart des matériaux ont des modes vibrationnels ou rotationnels dans cette gamme de longueurs d'onde : il est donc possible d'identifier des substances chimiques, des polluants, des explosifs, des échantillons biologiques suspects grâce à une spectroscopie THz. Combiné à la possibilité de "voir à travers", il est possible de faire des images "hyper-spectrales" de scènes cachées.
Cette région est peu exploitée en raison du manque de sources et de détecteurs appropriés. Malgré les nombreux efforts déployés pour combler le "THz gap", il manque encore des détecteurs très sensibles et de haute résolution spectrale, consommant peu d'énergie, et miniaturisables. Les dispositifs à base de Supraconducteurs à Haute Tc (SHTc) sont de bons candidats, qui peuvent travailler à haute fréquence (qq THz), et à des températures assez hautes (77K) qui peuvent être atteintes avec un système cryogénique compact.
Notre équipe au LPEM-ESPCI et le LPN-Marcoussis ont mis au point une nouvelle technique pour structurer des films minces de SHTc en combinant des techniques de lithographie électronique avancées et d’irradiation ionique. Nous avons pu fabriquer de façon reproductible des Jonctions Josephson (JJ) de taille nanométrique, qui sont les principaux éléments actifs de l'électronique supraconductrice, pour construire des mélangeurs THz, des oscillateurs locaux THz intégrés, des convertisseurs analogique-numériques, des circuits numériques ou des magnétomètres à SQUID par exemple.
L’objectif de ce projet est de développer les éléments de base pour construire un récepteur spectroscopique hétérodyne opérant au dessus de 30 K, et dans la gamme 0.3-3 THz, où il est possible de détecter des objets dissimulés, de faire de la spectroscopie de substances, et plus généralement de réaliser de la détection passive pour la sécurité, l'environnement, la radio-astronomie. Le dispositif intégrera sur la même puce le détecteur (une JJ) couplé a un oscillateur local de fréquence ajustable (un réseau de JJ).
La réalisation d'un oscillateur local (OL) intégré accordable dans une large gamme de fréquence est un résultat important du projet. Un tel dispositif peut également utilisé comme horloge de référence pour les circuits RSFQ (Rapid Single Flux Quantum) à base de JJ. Ces développements seront couplés avec le travail actuel sur les circuits numériques RSFQ de l'IMEP-LAHC-Savoie. En effet, la technologie proposée ici permettra, à long terme, de faire des imageurs THz avec un traitement numérique "on-chip" à haute fréquence en électronique RSFQ. Un LO accordable est aussi intéressant dans la gamme du GHz (1-20 GHz) pour des applications radar ou radio-logicielle. En utilisant le battement entre deux signaux haute fréquence d'OL, on peut réaliser un oscillateur accordable dans cette gamme de fréquence.
Le travail entre les trois partenaires est organisé en 6 "workpackages" : (1) Management (2) Détection avec un OL externe (3) Détection avec un OL "on-chip" (4) Spectroscopie et Imagerie (5) Nanofabrication (6) Dissémination.
Les trois partenaires vont collaborer pour atteindre leur objectif : un démonstrateur d'un imageur spectroscopique intégré (au-delà de 300 GHz, et si possible jusqu'à 3 THz), fonctionnant au-delà de 30K, avec une résolution spectrale de qq MHz et une température de bruit inférieure à 1000 K.