Des appareils photoniques moins chers et plus performants, tels que les lasers, fibres optiques, et d'autres sources lumineuses peuvent être possibles avec une lumière confinée qui n'est pas affectée par les imperfections du matériau qui la confine, selon de nouvelles recherches. Une équipe de physiciens de Penn State, l'Université de Pittsburgh, et l'Université de l'Illinois ont démontré dans une expérience de validation de principe qu'ils peuvent contenir de la lumière de manière à la rendre très insensible aux défauts pouvant être présents dans un matériau. Les résultats de la recherche apparaissent en ligne le 4 juin 2018 dans la revue Photonique de la nature .

"La technologie photonique implique la génération, transmission, et la manipulation de la lumière et il est utilisé de manière omniprésente dans toutes les industries, " a déclaré Mikael Rechtsman, le Downsbrough Early Career Assistant Professor of Physics à Penn State et le chef de l'équipe de recherche. "Il est à la base du réseau de fibre optique qui forme le squelette d'Internet, cellules solaires utilisées dans la production d'énergie durable, et les lasers haute puissance utilisés dans la fabrication, parmi de nombreuses autres applications. Trouver un moyen de confiner et de manipuler la lumière afin qu'elle soit insensible aux défauts pourrait avoir un impact énorme sur cette technologie."

Pour confiner la lumière, les chercheurs ont utilisé une structure en treillis complexe composée de "guides d'ondes" précisément sculptés dans le verre. Ces guides d'ondes agissent comme des fils, mais pour la lumière au lieu de l'électricité. Dans cette structure, la lumière pénètre à une extrémité du guide d'ondes et est piégée et confinée lorsqu'elle se propage vers l'avant à travers les fils. Là, la lumière piégée devient insensible aux imperfections des positions des guides d'ondes, et ainsi des imperfections importantes dans la structure peuvent être tolérées.

"La lumière devient insensible à cause du phénomène de 'protection topologique', " a déclaré Rechtsman. " Ce concept a été largement utilisé dans le contexte de la physique électronique à l'état solide. La structure du guide d'ondes est un analogue photonique des soi-disant «isolants cristallins topologiques, ' et cette forme de protection topologique peut potentiellement être utilisée sur une gamme de dispositifs photoniques, y compris dans les lasers nanométriques, fibres optiques non linéaires spécialisées, et pour un couplage robuste et précis entre les photons et les électrons pour la manipulation de l'information quantique."

Confiner la lumière de cette manière pourrait rendre de nombreux dispositifs photoniques à la fois moins chers à produire et plus efficaces. Au-delà de ça, il s'agit d'un exemple de l'utilisation potentiellement interdisciplinaire – unissant la photonique et l'électronique du solide – de la protection topologique et démontre la large applicabilité de ce phénomène au-delà de sa conception en physique électronique du solide.

« En photonique, il est extrêmement important de pouvoir piéger la lumière et de la confiner dans de très petits espaces, " a déclaré Rechtsman. " Il compresse la quantité maximale de puissance optique dans la plus petite zone ou le plus petit volume à l'intérieur d'un matériau, le faire interagir plus fortement avec le matériau, et ainsi il est plus efficace dans tout ce qu'il est censé faire. Une difficulté majeure pour ce faire a été qu'un fort confinement entraîne une sensibilité extrême à toute imperfection du matériau, ce qui peut souvent soit inhiber l'efficacité, soit rendre le dispositif très coûteux à fabriquer. Nos résultats suggèrent que nous pouvons surmonter cette difficulté. »