CNRS La lettre innovation

Dévoiler des armes cachées et invisibles aux rayons X, caractériser finement et sans contact les composants d’une substance solide, liquide ou même gazeuse : les ondes électromagnétiques térahertz (THz)² repoussent les frontières de la détection et instaurent un rapport nouveau à la matière.

Historiquement connues sous la terminologie d'infrarouge lointain, ces ondes s’étendent sur une bande de fréquence entre 0,1 et 30 THz. Intermédiaires  entre les fréquences radioélectriques des micro-ondes et les fréquences optiques de l'infrarouge, elles concentrent l’attention des chercheurs depuis une trentaine d’années.

Et pour cause, leurs propriétés sont nombreuses : leur fort pouvoir pénétrant offre notamment la possibilité de voir à travers de nombreux matériaux non conducteurs, tels que le béton, les vêtements, le papier, le carton, les plastiques… Totalement absorbés par les matériaux à molécules polaires, l’eau en particulier, et par les bons conducteurs électriques, tels que les métaux, les ondes THz présentent également l’avantage de maintenir la matière et les organismes intacts. Mais surtout, par opposition aux rayons X, elles sont peu énergétiques et non-ionisantes, ce qui les rend possiblement peu nocives.

Les applications développées couvrent aujourd’hui de multiples champs d’activités. Elles concernent notamment la défense et la sécurité, dont la détection d’armes, de drogues ou d’explosifs ; le biomédical, avec l’étude de l’hydratation et de la conformation des protéines et de l’ADN, et la détection de certaines cellules cancéreuses riches en eau ; les télécommunications, avec la transmission haut débit ; ou l’industrie, et le contrôle non destructif de pièces et la maintenance préventive. En 2015, ce dernier secteur représentait 46 % du marché des systèmes THz et son taux de croissance annuel moyen est estimé à 40 % jusqu’en 2022.

Pour atteindre et générer des ondes THz, plusieurs dispositifs ont été mis au point. On compte les lasers à cascade quantique, les corps noirs, les diodes électroniques, les carcinotrons, les lasers à électrons libres, les lasers moléculaires et les sources à semi-conducteurs.

Aujourd’hui, le marché mondial des technologies THz comprend quatre secteurs d’activité majoritaires : celui des sources d’ondes THz, des détecteurs, des systèmes et celui des composants. Au moins 63 entreprises actives ont été identifiées. Ce marché, qui d’ici 2020 devrait atteindre 98 millions de dollars US, est dominé par quatre entreprises, dont deux européennes - Menlo Systems, spin-off de l’Institut Max Planck, et TeraView, issue du laboratoire Cavendish de l’université de Cambridge - une américaine - Microtech Instruments Inc - et une japonaise - Advantest. Alors que les grandes entreprises (36 % du marché mondial) développent toute la chaîne de valeurs, les entreprises intermédiaires (37 %) et les PME (27 %) focalisent leur R&D sur les sources et les détecteurs d’ondes THz.

En Europe, le marché s’oriente principalement vers le secteur des systèmes THz et cherche à répondre à trois besoins : détecter des objets et des défauts sur de grandes surfaces, mesurer une épaisseur, et caractériser chimiquement et structuralement de petits objets et défauts sur de petites surfaces ou volumes.

Le CNRS dans le THz en Europe

Le domaine des ondes THz comptabilise, à l’échelle européenne, 1 336 familles de brevets déposés depuis 2000, dont 38 impliquent le CNRS (27 unités). L’organisme est ainsi le deuxième déposant de brevets, les instituts Fraunhofer étant les premiers et le CEA troisième. Le portefeuille CNRS s’étend sur toute la chaîne de valeurs des ondes THz et se compose majoritairement de brevets amont (sources, détecteurs). Peu de ces brevets ont été co-déposés avec des industriels. 81 % des dépôts sont postérieurs à 2009 et 76 % du portefeuille CNRS est encore actif aujourd’hui. Positionné sur des marchés importants à moyen et long terme, le CNRS revendique des champs applicatifs précis : 53 % des familles de brevets déposés concernent les télécommunications, le contrôle non destructif et le biomédical. 13 % du portefeuille a été transféré vers l’industrie à ce jour.

Le domaine a également donné lieu à 14 954 publications par des acteurs européens (Russie incluse), dont 1 888 émanent du CNRS, avec un rythme de publication d’environ 200 publications par an ces trois dernières années. Le CNRS est ainsi le premier publiant européen et est impliqué dans 86 % des publications françaises. Une vingtaine de laboratoires CNRS, répartis sur l’ensemble du territoire, concentrent 88 % des publications, et huit d’entre eux³ regroupent 66 % des dépôts de brevets.

La voie de valorisation la plus fréquente pour le CNRS reste celle de la signature de licences d’exploitation sur ses brevets. Par ailleurs, cinq start-up, issues de laboratoires CNRS, ont été créées dans le domaine : Lytid, issue du Laboratoire matériaux et phénomènes quantiques⁴, se positionne sur le marché des sources, NeTHIS, liée à l’Institut de mécanique et d’ingénierie de Bordeaux⁵, se concentre sur celui des détecteurs, Teratonics, issue du Laboratoire de chimie physique⁶, sur celui des détecteurs et des systèmes Selenoptics⁷, issue de l’Institut de sciences chimiques de Rennes, se positionne sur le marché des composants comme les fibres optiques, et T-Waves, spin-off du Laboratoire Charles Coulomb⁷, se concentre sur celui des détecteurs et des systèmes. Plusieurs autres start-up sont actuellement en cours de création.

Le marché des ondes THz arrivant aujourd’hui à maturité, le CNRS affirmera d’ici 2022 son positionnement et intensifiera ses liens avec les industriels. Pour cela, il s’appuiera sur un réseau de recherche déjà bien structuré comprenant notamment le groupement de recherche NanoTeraMir. L’objectif de ce dernier est de favoriser les liens et les échanges entre les différents acteurs français de la recherche dans les domaines des fréquences THz et infrarouges moyen, en nanosciences et nanotechnologies.

¹ Dans le cadre de sa stratégie de valorisation, le CNRS a identifié vingt domaines de recherche d’intérêt national ou international à haut potentiel d’innovation, appelés « Focus transfert CNRS » pour lesquels il se situe au meilleur niveau mondial. Il y dispose d’un réseau national de scientifiques et de valorisation, et mobilise les ressources de sa filiale nationale FIST SA en concertation avec ses filiales territoriales SATT. Grâce à cette organisation, la meilleure valorisation possible des résultats de recherche est ainsi privilégiée. Notamment, l’agrégation de brevets issus de multiples lieux géographiques, permet de générer un développement économique et des retours financiers supérieurs à ceux provenant de la licence d’une seule famille de brevets.

² 1 THz =1012 Hz.

³ Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (CNRS/Université de Lille 1/ISEN Lille/Université de Valenciennes Hainaut-Cambrésis/Ecole centrale de Lille) ; Laboratoire Charles Coulomb (CNRS/Université de Montpellier) ; Institut d'électronique et des systèmes (CNRS/Université de Montpellier) ; Laboratoire matériaux et phénomènes quantiques (CNRS/Université Paris Diderot) ; Centre de nanosciences et de nanotechnologies (CNRS/Université Paris-Sud) ; Laboratoire onde et matière d’Aquitaine (CNRS/Université de Bordeaux) ; Laboratoire Pierre Aigrain (CNRS/ENS Paris/Université Pierre et Marie Curie/Université Paris Diderot) ; Laboratoire XLIM (CNRS/Université de Limoges).

⁴ CNRS/Université Paris Diderot.

⁵ CNRS/Université de Bordeaux/Arts et Métiers ParisTech.

⁶ CNRS/Université Paris-Sud.

⁷ CNRS/Université de Rennes.

⁸ CNRS/Université de Montpellier.