16.05.2022 - Universität Rostock

Entraînement fractal - L'absence de masse donne un avantage aux photons

Des chercheurs de l'université de Rostock ont mis au point un nouveau type de matériau micro-structuré qui améliore la vitesse des signaux lumineux tout en les protégeant de la diffusion. Leur découverte sera publiée en ligne par la revue "Science" le jeudi 12 mai 2022.

Les isolants topologiques photoniques (ITP) sont des matériaux artificiels qui conduisent la lumière le long de leurs bords, mais l'empêchent de traverser leur intérieur. Ces "supraconducteurs pour photons" fascinent depuis longtemps le professeur Alexander Szameit de l'université de Rostock. "Depuis notre première mise en œuvre d'un isolant topologique pour la lumière, nous avons exploré la meilleure façon d'utiliser ces systèmes particuliers", se souvient le chef du groupe d'optique à l'état solide. Pourtant, si les isolants topologiques photoniques peuvent "protéger" de la diffusion la lumière qui se propage le long de chemins précisément définis, leur excellente résistance aux imperfections ou aux perturbations externes a généralement un coût. "Les structures périodiques que nous utilisons généralement pour construire des PTI ont tendance à ralentir la lumière qu'ils sont censés transporter", explique le premier auteur Tobias Biesenthal, qui expose la motivation de ses expériences. "En essayant de les protéger, nous chargeons les signaux d'un lest indésirable."

La solution trouvée par l'équipe de chercheurs s'inspire du monde étrange et magnifique des "fractales". Formalisées pour la première fois en tant que concept mathématique par Benoît Mandelbrot en 1967, alors qu'il tentait de comprendre pourquoi la longueur mesurée de la côte britannique gagnait des centaines de kilomètres, apparemment sortis de nulle part, alors que des cartes plus détaillées étaient utilisées, ces structures abondent dans la nature. Par exemple, la disposition des brindilles ressemble statistiquement à la façon dont les plus grosses branches se ramifient à partir du tronc d'un arbre. L'autosimilarité à travers les échelles est donc au cœur des fractales, ce qui signifie que toute section d'un système reproduit les caractéristiques de l'ensemble. À leur tour, les fractales "exactes" répètent à l'identique leur structure à l'infini. Un exemple bien connu est le triangle de Sierpinski, que l'on peut facilement obtenir en imbriquant des répliques de plus en plus petites d'un triangle équilatéral les unes dans les autres. Paradoxalement, même si elle est esquissée sur une feuille de papier, cette structure ne couvre en réalité aucune surface : Au contraire, on peut démontrer mathématiquement que chacun de ses points appartient à l'un des bords du collecteur.

En étroite collaboration avec des partenaires de l'Institut israélien de technologie Technion à Haïfa et de l'Université de Zhejiang en Chine, les scientifiques de Rostock ont résolu la question de longue date de savoir si les isolants topologiques peuvent être construits sans matériau en vrac, et ont tiré parti de l'autosimilarité pour soulager les signaux lumineux. "Comme une pierre qui saute sur les vagues de la mer Baltique, les faisceaux lumineux peuvent courir le long des bords de notre matériau fractal sans voir grand-chose de son intérieur", explique Matthias Heinrich, auteur principal des travaux. "La différence cruciale est que, alors qu'une telle pierre perd son énergie à chaque rebond et finit par couler, la lumière dans un tel matériau est protégée de la diffusion : En principe, elle pourrait continuer indéfiniment."

Cette collaboration internationale fructueuse a fait progresser considérablement la recherche fondamentale sur la photonique topologique. Bien qu'il reste encore plusieurs défis de taille à relever avant que ces connaissances ne trouvent leur place dans les produits de consommation, la dernière découverte des physiciens présente un grand potentiel pour un large éventail d'applications innovantes, telles que les circuits photoniques à grande vitesse à protection topologique et une toute nouvelle catégorie de matériaux synthétiques polyvalents.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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