Apprivoiser le térahertz

Tout comme la technologie des rayons X est apparue dans les années 1890, permettant aux médecins de regarder sous la chair pour voir les os et les organes, une autre technologie d'imagerie prometteuse émerge maintenant d'une partie sous-utilisée du spectre électromagnétique : les fréquences térahertz. Ces rayons dits T peuvent, comme les rayons X, voir à travers la plupart des matériaux. Mais on pense que les rayons T sont moins nocifs que les rayons X. Et différents composés réagissent différemment au rayonnement térahertz, ce qui signifie qu'un système d'imagerie basé sur le térahertz peut discerner la composition chimique d'un objet caché. Grâce à cette puissance, l'imagerie térahertz devient de plus en plus chaude, explique Xi-Cheng Zhang, un pionnier du térahertz au Rensselaer Polytechnic Institute. Les applications potentielles vont de la détection de tumeurs à la recherche d'explosifs plastiques. Et comme les rayons T pénètrent le papier et les vêtements, une caméra térahertz pourrait détecter des armes cachées.

Les fréquences térahertz sont difficiles à produire et à détecter. Ils sont plus élevés que les micro-ondes mais inférieurs à la lumière infrarouge. Vous ne savez jamais s'il faut utiliser une technologie basée sur l'électronique ou sur l'optique, explique Martyn Chamberlain de l'Université de Leeds en Angleterre, un éminent chercheur en térahertz. Les sources térahertz actuellement sur le marché ont tendance à émettre plusieurs fréquences à la fois, ce qui limite leur utilité. Au cours de la dernière année, cependant, plusieurs projets de recherche ont fait des progrès substantiels dans le développement de dispositifs produisant des rayons T dans une bande de fréquences étroite, une exigence pour une détection chimique précise et une imagerie médicale.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de juin 2003

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L'un de ces systèmes, fabriqué par Brattleboro, Vermont Photonics, basé à VT, fonctionne en envoyant un faisceau d'électrons à travers la surface microscopiquement ondulée d'un conducteur, tel que l'aluminium ; le faisceau fait monter et descendre les électrons du conducteur dans les ondulations, un mouvement qui secoue les rayons t lâches. La modification de l'énergie du faisceau d'électrons modifie également la fréquence térahertz générée, explique Michael Mross, cofondateur de Vermont Photonics. La société cible son instrument principalement sur l'observation des interactions impliquant des biomolécules pour des applications telles que la découverte de médicaments. Une autre approche est ce qu'on appelle le laser à cascade quantique, un élément d'ingénierie des semi-conducteurs utilisé pour produire de la lumière infrarouge. Faire passer la technologie à la gamme térahertz nécessite un contrôle extrêmement précis des matériaux. L'année dernière, Qin Hu, un ingénieur électricien du MIT, a fait la démonstration d'un laser à cascade quantique qui produit un faisceau térahertz continu à une fréquence bien définie.

Une carie apparaît clairement sous la forme d'une région rose sur l'image térahertz d'une dent (à droite). (Image avec l'aimable autorisation de Teraview)

L'application la plus proche de la technologie térahertz est l'imagerie médicale. Dans un effort ambitieux, TeraView, une startup basée à Cambridge, en Angleterre, a utilisé l'imagerie térahertz pour détecter les cancers de la peau qui échappent aux autres technologies d'imagerie, en particulier les tumeurs qui se forment de manière invisible sous la surface de la peau. Les rayons T pourraient également identifier des matériaux biologiques inconnus, car les biomolécules vibrent naturellement à des fréquences térahertz et chacune a une empreinte térahertz distincte. En d'autres termes, des protéines spécifiques absorbent certaines fréquences caractéristiques des rayons T, qui modifient leur disposition moléculaire ou leur conformation ; des capteurs peuvent alors surveiller cette absorption pour indiquer l'identité de la protéine. La vie est un processus térahertz, dit Chamberlain. Une application potentielle est l'identification automatisée d'agents de guerre biologique, tels que l'anthrax. Un autre est un capteur chimique à rayons T, qui tirerait parti du fait que d'autres grosses molécules, telles que les polymères, répondent également aux ondes térahertz de manière caractéristique. Un appareil photo térahertz construit par QinetiQ de Farnborough, en Angleterre, prend des photos étrangement envahissantes de personnes à travers leurs vêtements.

Mais l'interaction des rayons T avec les protéines soulève la question de la sécurité de l'exposition humaine. L'Union européenne parraine un programme, appelé Terahertz Bridge, pour étudier exactement cela. Les résultats préliminaires ont été encourageants; les chercheurs n'ont vu aucune preuve de lésions tissulaires irréversibles, semblables aux rayons X, causées par les doses de rayons t qui seraient utilisées pour l'imagerie corporelle. Jusqu'à présent, c'est sûr, explique Gian Piero Gallerano, coordinateur de Terahertz Bridge.

Alors que les scientifiques subissent des contorsions pour produire des rayons T, la nature a beaucoup plus de facilité. Le rayonnement térahertz continue de se propager dans l'espace depuis son origine dans le Big Bang. Dit Chamberlain, L'univers est plein de ce genre de choses. Avant longtemps, les humains pourraient commencer à l'utiliser dans la pratique.

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