30.09.2022 - Universität Rostock

La dislocation en spirale donne à la photonique topologique 3D un avantage robuste

Une collaboration internationale fructueuse a permis de faire progresser considérablement la recherche fondamentale sur la photonique topologique.

Des chercheurs de l'université de Rostock et du Technion Haifa ont créé le premier isolant topologique tridimensionnel pour la lumière. Une dislocation vissée judicieusement placée permet aux signaux optiques de s'enrouler autour de la surface d'un réseau synthétique tout en le protégeant de la diffusion. Leur découverte a récemment été publiée dans la revue "Nature".

Les cristaux fascinent les humains depuis des milliers d'années par leur beauté visuelle et leurs élégantes formes symétriques, et, plus récemment, par leurs nombreuses applications technologiques. Fondamentalement, ces matériaux sont basés sur un arrangement très régulier de leurs plus petits éléments constitutifs, et les propriétés physiques des matériaux cristallins dépendent fortement de la pureté de leur réseau sous-jacent. Pourtant, les imperfections ne sont pas nécessairement préjudiciables. Par exemple, un saupoudrage d'atomes provenant de groupes adjacents du tableau périodique permet de transformer des plaques de silicium cristallin, par ailleurs inertes, en puissants processeurs électroniques capables d'effectuer des milliards d'opérations par seconde, ainsi qu'en cellules solaires hautement efficaces capables de capter la lumière du soleil pour les alimenter.

Il s'avère que le concept de systèmes discrets ne se limite pas aux solides, puisque le même cadre mathématique sous-jacent décrit également l'évolution de la lumière dans des réseaux de guides d'ondes. Ces "fils de la lumière" fascinent depuis longtemps le professeur Alexander Szameit de l'université de Rostock. "Chaque enfant sait que la lumière se déplace en ligne droite. Au mieux, elle peut être réfléchie par un miroir ou déviée d'un certain angle lorsqu'elle pénètre dans un bloc de verre ou traverse une lentille", le chef du groupe d'optique à l'état solide décrit l'expérience quotidienne de l'optique. "Je ne cesse de m'étonner que la lumière puisse être fixée sur des trajectoires spécifiques, comme les électrons dans un cristal, et qu'elle puisse passer d'une trajectoire à l'autre", poursuit-il pour décrire la base de la recherche de son groupe. Dans cette veine, les réseaux de guides d'ondes peuvent refléter de nombreuses facettes de la physique de l'état solide, et même donner lieu à des effets entièrement nouveaux et à des structures fonctionnelles inédites.

Pour leur dernière percée, les physiciens de Rostock se sont associés à des collègues du Technion Haifa (Israël) et de l'université de Zhejiang (Chine) pour construire un matériau optique artificiel jusqu'alors insaisissable : Un isolant topologique (IT) tridimensionnel pour la lumière. "Les isolants topologiques sont une nouvelle phase de la matière et ne sont connus que depuis quelques décennies", l'auteur, le Dr Lukas Maczewsky, esquisse le contexte de ces travaux. "Leurs homologues photoniques peuvent guider la lumière autour des défauts et des angles aigus, et la protéger de la dispersion dans le processus." Pourtant, la lumière se déplace à des vitesses incroyables, et les plateformes photoniques classiques doivent généralement sacrifier au moins une des trois dimensions spatiales pour contrôler le comportement de la lumière dans les autres. Par conséquent, les expériences précédentes sur les TI photoniques étaient limitées à des arrangements unidimensionnels et planaires.

La solution élégante que l'équipe de chercheurs a trouvée pour surmonter ces limitations combine le concept de dimensions synthétiques avec un type spécifique de défaut - une "dislocation en vis". Ce défaut judicieusement placé relie en permanence les différents plans du réseau en les faisant tourner autour d'un axe central semblable à un tire-bouchon. Julius Beck, co-auteur et étudiant en doctorat, explique : "Comme la transformation d'une pile d'anneaux détachés en une spirale connectée sans faille, ce défaut intentionnel nous a permis de créer le premier isolant topologique 3D pour la lumière."

Menée dans le cadre du centre de recherche collaborative "LiMatI" récemment créé à l'université de Rostock, cette collaboration internationale fructueuse a fait progresser de manière substantielle la recherche fondamentale sur la photonique topologique. Bien qu'il reste des défis considérables à relever avant que ces connaissances ne trouvent leur place dans les produits de consommation, le dernier développement des physiciens présente un grand potentiel pour un large éventail d'applications innovantes, telles que les circuits topologiques tridimensionnels compacts pour la lumière et une nouvelle classe de matériaux optiques fonctionnalisés aux propriétés personnalisées.

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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