Ingénierie du flux de lumière

La nouvelle structure montrée dans l'illustration a été conçue pour faire une chose :changer la forme de la lumière lorsqu'elle est transportée. Dans un article récent, le professeur Mercedeh Khajavikhan et son équipe ont montré comment cela peut être fait en utilisant un nouveau modèle théorique qui pourrait avoir de profondes implications sur de nombreux aspects de nos vies.

La lumière peut être générée par des lasers pour l'imagerie et la détection, parcourue par des câbles à fibre optique pour des communications avancées et intégrée dans des puces pour augmenter les capacités de calcul à un niveau dont les générations précédentes n'auraient pas pu rêver. Bien que chacune de ces avancées ait pu se terminer par un nouvel appareil construit par un ingénieur en mécanique, en astronautique, en biomédecine ou en informatique, elles ont commencé par la photonique.

Les particules de lumière ont tendance à se déplacer sous forme d'ondes, et la photonique est la science qui exploite ces ondes. Des expériences de pointe de communication quantique avec des photons intriqués aux technologies quotidiennes telles que les écrans de smartphone, le LiDAR et l'Internet par fibre, la photonique a changé nos vies plus que la plupart des gens ne le pensent. Et même si le domaine existe depuis plus d'un siècle, les chercheurs continuent de repousser de nouvelles frontières.

L'une de ces frontières s'appelle la photonique topologique. Il combine la photonique traditionnelle avec la physique topologique - un domaine lancé en partie par le lauréat du prix Nobel et ancien professeur de l'USC Duncan Haldane. La physique topologique - l'étude mathématique des formes et de leur disposition dans l'espace - a été utilisée pour expliquer de nombreuses propriétés intéressantes en électronique et a conduit au développement de plusieurs nouveaux matériaux et dispositifs. Désormais, en combinant la physique topologique et la photonique, les chercheurs peuvent concevoir des structures lumineuses encore plus créatives et inédites.

Alors, qu'y a-t-il de si spécial dans cette nouvelle structure et comment l'a-t-on construite ? L'équipe utilise d'abord la physique topologique pour proposer une conception qu'elle souhaite explorer. Ils exécutent ensuite des simulations pour comprendre comment les éléments de la structure doivent interagir les uns avec les autres. Ensuite, ils conçoivent les cellules individuelles - les petits blocs de construction qui composent l'ensemble de la structure. Une fois la conception de la cellule terminée, ils doivent décider comment ils doivent être disposés ensemble pour former la structure. Enfin, la conception est acheminée vers une salle blanche de nano-fabrication où le produit physique - d'une taille inférieure à 0,25 millimètre carré - est construit. Ce qui nous reste est une structure totalement unique qui donne à la lumière une nouvelle forme lorsqu'elle la traverse. Cette nouvelle forme, à son tour, a de nouvelles qualités, telles qu'une meilleure pureté laser et une plus grande efficacité.

Aussi impressionnant que cela puisse paraître, Khajavikhan et son équipe ont décidé d'aller encore plus loin. Et c'est là que cette combinaison de physique et de photonique entre vraiment en jeu. Les matériaux topologiques peuvent présenter de nouvelles propriétés de transport étonnantes, mais ils ne peuvent pas facilement être commutés entre un état « activé » et « désactivé ». Pensez à ces structures légères comme à une voiture de course à la pointe de la technologie. Ils peuvent se déplacer plus vite, tourner plus fort et faire plus que leurs concurrents. Mais si vous ne pouvez jamais éteindre la voiture une fois que vous avez démarré le moteur, ce n'est pas une machine très pratique.

C'est exactement ce que l'équipe USC a pu faire :contrôler cette nouvelle lumière. Ils ont introduit une technique issue des systèmes photoniques appelée « pompage optique » pour donner aux propriétés topologiques de la structure la possibilité de s'allumer et de s'éteindre. La capacité de contrôler non seulement la forme de la lumière, mais aussi quand et comment elle circule dans un système est de la plus haute importance.

Pour les chercheurs, les travaux sur cette nouvelle structure ne sont qu'un début. "Nos découvertes ouvrent de toutes nouvelles voies pour étudier les systèmes topologiques et nous prévoyons de concevoir d'autres conceptions qui pourraient changer le visage de toute une série d'industries telles que les écrans holographiques et les lasers haute puissance", a déclaré Khajavikhan.