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    Les chercheurs créent de meilleurs dispositifs de piégeage de la lumière

    Une représentation abstraite des neuf charges topologiques uniques du résonateur optique. Les charges distinctes peuvent fusionner, semblable à la façon dont les vagues de l'océan peuvent s'écraser et former des vagues plus grosses ou s'annuler les unes les autres. Le paysage ondulé au bas de l'image se connecte à la nature périodique de l'appareil lui-même. Crédit :Lei Chen

    Quiconque a déjà joué de la batterie, accordé une guitare, ou même faire « chanter » un verre de vin en faisant tourner un doigt le long de son bord connaît la résonance. Résonateurs acoustiques, comme la cavité d'un fût ou d'un verre de vin à moitié plein, vibrent naturellement à certaines fréquences d'ondes sonores pour produire des sons spécifiques. Le phénomène de résonance peut également être appliqué aux ondes lumineuses, les résonateurs optiques étant des composants clés de dispositifs tels que les lasers et les capteurs.

    Une étude publiée dans La nature décrit une nouvelle conception de résonateurs optiques plus efficaces pour piéger la lumière, une étape fondamentale importante vers la fabrication de dispositifs optiques plus efficaces. Le travail a été mené par Bo Zhen et Ph.D. l'étudiant Jicheng Jin de Penn et des chercheurs de l'Université de Pékin et du MIT.

    Une partie de ce qui rend la lumière si difficile à piéger dans un résonateur est que la lumière est faite d'ondes à haute fréquence, ce qui signifie que leurs longueurs d'onde sont extrêmement petites, des millions de fois plus petites que les ondes acoustiques que les gens entendent chaque jour. Afin de piéger ces petites vagues pendant longtemps, les résonateurs optiques doivent être non seulement incroyablement petits, mais aussi extrêmement précis. "Le problème est que la fabrication n'est pas parfaite, " explique Zhen. " Naturellement, le processus de fabrication introduira de la rugosité sur la surface et des fluctuations à la conception originale, donc le dispositif réel dans la pratique est toujours cahoteux."

    La nature "cahoteuse" et imparfaite des résonateurs optiques est ce qui limite actuellement le facteur de qualité d'un appareil, ou la durée pendant laquelle le résonateur peut piéger la lumière avant que les ondes ne s'estompent. Étant donné les limites de l'ingénierie de tels dispositifs, les chercheurs ont cherché à fabriquer un résonateur optique moins sujet aux imperfections inhérentes.

    Ce travail était basé sur les recherches antérieures de Zhen sur la théorie des charges topologiques, également appelés états liés dans le continuum. Les charges topologiques se forment par interférence, un phénomène de vague commun qui peut être observé lorsque les vagues s'écrasent les unes sur les autres et s'additionnent pour former des vagues plus grosses ou s'annulent. Les charges topologiques se produisent lorsque les ondes de rayonnement sortant de l'appareil s'annulent, permettant à l'appareil de contenir l'énergie lumineuse plus longtemps.

    Avec des idées de la théorie de Zhen, les chercheurs ont conçu, simulé, et des dispositifs de résonateur optique fabriqués appelés plaques de cristal photonique, qui sont modelés avec des trous de taille nanométrique régulièrement espacés les uns des autres. Leur appareil était encore "imparfait, " avec des surfaces irrégulières visibles au microscope électronique à balayage, mais la caractéristique topologique unique de la conception a considérablement amélioré le facteur de qualité, ou la capacité de piéger la lumière pendant une période beaucoup plus longue que ce qui serait autrement possible.

    Une caractéristique unique de l'appareil est qu'il peut générer neuf charges topologiques uniques. Chaque charge distincte fusionne ensuite en une seule, provoquant une annulation encore plus forte des ondes de rayonnement, piégeant la lumière dans l'appareil pendant de longues périodes.

    La fusion des charges était un phénomène qui avait été prédit dans des travaux antérieurs, explique Zhen, mais le dernier article du groupe a fourni une solide compréhension théorique de son effet sur les facteurs de qualité. « Le fait qu'ils aient neuf charges fusionnant au même point est une caractéristique tout à fait unique. Au début, c'est assez trompeur ; vous pouvez l'interpréter de différentes manières, et nous avons été détournés vers d'autres directions. Finalement, à travers beaucoup de réflexion, tout s'est arrangé."

    Leur plateforme innovante, avec un facteur de qualité 10 fois supérieur aux autres appareils n'utilisant pas de charges topologiques fusionnantes, peut conduire à des améliorations dans de nombreuses applications basées sur l'optique. Par ailleurs, les chercheurs ont déjà démontré l'utilisabilité de leur approche sur une application immédiate du monde réel, car l'étude a examiné les longueurs d'onde de la lumière qui sont déjà utilisées pour les télécommunications.

    Grâce à leurs domaines d'expertise complémentaires, de la fabrication de dispositifs à l'Université de Pékin et de la physique théorique à Penn, les scientifiques ont pu développer une méthode simple, solution basée sur la physique à un défi d'ingénierie non résolu auparavant.

    « Il améliore la qualité sans optimiser la fabrication, " dit Jin, qui a récemment obtenu sa maîtrise de l'Université de Pékin et est maintenant un étudiant diplômé du laboratoire de Zhen. "Vous n'avez pas à faire un travail exigeant pour améliorer les méthodes de fabrication, il vous suffit de choisir une conception intelligente. Il n'y a pas de trucs compliqués, mais vous pouvez voir une très grande amélioration."

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