Révolutionner le transport de la lumière : nouveau modèle ouvre la voie à l'optique avancée

La nouvelle structure montrée dans l'illustration a été conçue pour faire une seule chose : changer la forme de la lumière pendant son transport. 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 des implications profondes pour de nombreux aspects de nos vies.

La lumière peut être générée par des lasers pour l'imagerie et la détection, parcourir des câbles à fibres optiques pour des communications avancées, et être intégrée dans des puces pour augmenter les capacités informatiques à un niveau que les générations précédentes n'auraient pas pu imaginer. Bien que chacune de ces avancées ait pu se terminer par un nouveau dispositif construit par un ingénieur mécanique, astronautique, biomédical ou informatique, elles ont toutes commencé dans la photonique.

Les particules de lumière ont tendance à se déplacer comme des ondes, et la photonique est la science d'exploiter ces ondes. Des expériences de pointe de communication quantique avec photons intriqués, aux technologies quotidiennes comme les écrans de smartphone, LiDAR et internet par fibre, la photonique a changé nos vies plus que la plupart des gens ne le réalisent. Et même si le domaine existe depuis plus d'un siècle, les chercheurs repoussent encore de nouvelles frontières.

L'une de ces frontières s'appelle la photonique topologique. Elle combine la photonique traditionnelle avec la physique topologique — un domaine initié 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 arrangement 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. Maintenant, en combinant la physique topologique et la photonique, les chercheurs peuvent concevoir des structures lumineuses encore plus créatives et jamais vues auparavant.

Alors, qu'y a-t-il de si spécial dans cette nouvelle structure et comment l'ont-ils construite ? L'équipe utilise d'abord la physique topologique pour concevoir un design qu'ils veulent explorer. Ils exécutent ensuite des simulations pour comprendre comment les éléments de la structure doivent interagir entre eux. Ensuite, ils conçoivent les cellules individuelles — les petits blocs de construction qui composent la structure entière. Une fois le design de cellule terminé, ils doivent décider comment les assembler pour former la structure. Finalement, le design est emmené dans une salle blanche de nanofabrication où le produit physique — moins de 0,25 mm² — est construit. Ce qui reste est une structure totalement unique qui forme la lumière en une forme nouvelle lorsqu'elle traverse. Cette nouvelle forme, à son tour, a de nouvelles qualités, comme une meilleure pureté de lasing et une efficacité plus élevée.

Autant impressionnant que cela soit, 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 exhiber d'incroyables nouvelles propriétés de transport, mais ils ne peuvent pas facilement être basculés entre un état « marche » et « arrêt ». Pensez à ces structures lumineuses comme une voiture de course à la pointe de la technologie. Elles peuvent aller plus vite, tourner plus fort, et faire plus que leurs concurrents. Mais si vous ne pouvez jamais éteindre la voiture une fois le moteur démarré, ce n'est pas une machine très pratique.

C'est exactement ce que l'équipe de l'USC a réussi à faire — contrôler cette nouvelle lumière. Ils ont introduit une technique des systèmes photoniques appelée « pompage optique » pour donner aux propriétés topologiques de la structure la capacité de s'allumer et s'éteindre. La capacité de contrôler non seulement la forme de la lumière, mais quand et comment elle traverse un système est d'une importance capitale.

Pour les chercheurs, le travail sur cette nouvelle structure n'est que le début. « Nos découvertes ouvrent des avenues complètement nouvelles pour étudier les systèmes topologiques et nous prévoyons de concevoir plus de designs qui pourraient changer la face d'une multitude d'industries telles que les écrans holographiques et les lasers de haute puissance », a déclaré Khajavikhan.