Une équipe de recherche américaine découvre une forte réponse optique ultrarapide induite par les rayonnements ionisants, pouvant contribuer à l'imagerie médicale et aux technologies de détection

Nouvelles du 3 septembre : l'équipe de recherche de l'Université Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du Département de l'Énergie des États-Unis a observé, à l'aide d'impulsions électroniques et laser ultrarapides, une forte réponse optique ultrarapide déclenchée par le processus d'ionisation dans des matériaux semi-conducteurs. Les résultats ont été publiés dans *Nature·Photonics*. Les chercheurs estiment que cette découverte pourrait ouvrir de nouvelles perspectives pour les technologies d'imagerie radiologique et de détection, tout en fournissant une base expérimentale pour comprendre le comportement fondamental des matériaux sous l'effet de particules à haute énergie.

La détection des rayonnements est une technologie clé dans les accélérateurs de particules, les instruments scientifiques, l'imagerie médicale et les équipements de contrôle de sécurité. Les détecteurs existants sont généralement confrontés à un compromis entre l'intensité du signal et la vitesse de réponse : les processus de détection produisant des signaux plus forts sont souvent plus lents, tandis que les signaux à réponse rapide peuvent être plus faibles. Cette limitation affecte la précision de détection et la capacité d'imagerie en temps réel.

Dans cette étude, l'équipe a mené ses expériences à l'aide du dispositif de diffraction électronique ultrarapide à mégaélectronvolts (MeV-UED) de la source de lumière cohérente du linac du SLAC. Ce système est généralement utilisé comme une « caméra électronique » pour étudier la dynamique des atomes et des molécules, mais dans ce travail, les chercheurs n'ont pas utilisé les électrons pour imager les échantillons ; ils ont plutôt injecté des électrons à haute énergie dans des échantillons semi-conducteurs afin de simuler les processus d'ionisation rencontrés dans des applications telles que la tomographie par émission de positons (TEP), puis ont utilisé des impulsions laser ultrarapides synchronisées de différentes longueurs d'onde pour sonder les changements optiques produits dans le matériau immédiatement après l'ionisation.

Les matériaux étudiés sont des semi-conducteurs de la famille II-VI, couramment utilisés dans des applications électroniques telles que les détecteurs infrarouges et les cellules solaires photovoltaïques. Les résultats expérimentaux montrent que l'équipe a non seulement obtenu de forts signaux ultrarapides liés aux rayonnements, mais a également observé que la distribution des porteurs de charge à l'intérieur du matériau différait des attentes. Les chercheurs s'attendaient initialement à ce que les paires électron-trou générées par les électrons à haute énergie soient réparties de manière relativement uniforme dans l'échantillon ; cependant, les observations réelles ont montré que ces porteurs de charge s'agrègent dans des régions locales à haute densité.

Cette distribution de charge localement dense modifie la bande interdite du matériau, c'est-à-dire la plage d'énergies dans laquelle aucun état électronique n'existe, affectant ainsi la manière dont le semi-conducteur absorbe et transmet la lumière. Les chercheurs indiquent que, sous l'effet des électrons à haute énergie, le semi-conducteur présente une variation importante de l'énergie de bande interdite, lui conférant des propriétés de transmission de la lumière dans des conditions où il ne transmettait généralement pas la lumière.

L'équipe de recherche estime que la compréhension de la manière dont les électrons à haute énergie forment des régions localisées à haute énergie dans les matériaux et produisent de forts signaux optiques contribuera au développement de nouvelles plateformes de détection. Ces effets pourraient à l'avenir être utilisés dans des systèmes d'imagerie à plus faible énergie, tels que les technologies d'imagerie en temps réel et de diagnostic des maladies dans les contextes médicaux. Les chercheurs espèrent que cette direction pourra finalement soutenir des applications d'imagerie rapide et d'intervention en temps réel. Cette recherche a été financée par le Bureau des sciences du Département de l'Énergie des États-Unis, la National Science Foundation des États-Unis et les National Institutes of Health, entre autres.