Des chercheurs de l'Université de Rostock ont ​​développé un nouveau type de circuit photonique non linéaire dans lequel des faisceaux lumineux intenses peuvent définir leur propre chemin et, ce faisant, se rendent insensibles aux perturbations extérieures. Cette découverte a récemment été publiée dans la célèbre revue Science .

"Les photons sont un groupe indiscipliné, " explique le professeur Alexander Szameit, dont le groupe a réalisé les expériences révolutionnaires. "Dès qu'on parvient à les rassembler vers un point précis de l'espace et du temps, ils se dispersent aussitôt de nouveau dans toutes les directions." En effet, des siècles de recherche ont été consacrés à façonner le flux de lumière par un certain nombre de moyens :les lentilles et les miroirs incurvés peuvent focaliser étroitement les rayons du soleil. Des lasers puissants génèrent des faisceaux cohérents et de courtes impulsions de lumière intense. Et les câbles à fibres optiques fournissent des quantités stupéfiantes de données codées optiquement à travers le World Wide Web. Encore, les ondes lumineuses sont des entités étonnamment délicates :une petite fissure dans une lentille, un grain de poussière dérivant à travers un faisceau laser, ou un pli dans la fibre peut perturber les mécanismes complexes qui transforment la lumière en peut-être l'outil le plus polyvalent jamais exploité par l'humanité.

Isolants topologiques électroniques - solides qui ne conduisent pas l'électricité à l'intérieur de leur masse, tout en étant parfaitement conductrices le long de leur surface, ont été réalisées expérimentalement pour la première fois en 2007 par Laurens Molenkamp et son équipe à l'Université de Würzburg. Leurs homologues photoniques fascinent le professeur Szameit depuis longtemps. « Depuis notre première mise en œuvre d'un isolant topologique pour la lumière, nous nous sommes efforcés de découvrir comment ces systèmes particuliers peuvent être utilisés, " se souvient le physicien.

Alors que les isolants topologiques photoniques peuvent guider la lumière le long de chemins définis avec précision, et le cadre mathématique qui sous-tend leur conception leur confère un degré de robustesse sans précédent face aux imperfections ou aux perturbations extérieures, ces propriétés recherchées présentent également un formidable obstacle. "Une fois injecté dans un canal topologique, les impulsions lumineuses ne souffrent pas de pertes de diffusion, mais cette isolation les rend aussi pratiquement impossibles à contrôler sans les sortir de leur environnement protecteur, " Le co-auteur Dr Matthias Heinrich résume le défi auquel est actuellement confrontée la communauté scientifique.

Bien sûr, sur papier, la solution peut sembler évidente. "En principe, c'est facile. Tout ce dont vous avez besoin est un interrupteur que vous pouvez actionner à volonté pour modifier instantanément les propriétés topologiques du système entre deux impulsions lumineuses, " ironise Szameit. Cependant, la topologie est inextricablement liée à la disposition physique du circuit guide d'ondes, tandis que les impulsions laser ultracourtes sont mesurées en femtosecondes (un millionième de milliardième de seconde) - de nombreux ordres de grandeur hors de portée des modulateurs électroniques les plus rapides.

En étroite collaboration avec des théoriciens de l'Université de Rostock, l'ICFO à Barcelone, l'Université de Lisbonne et l'Institut des sciences et technologies de Moscou, l'équipe de jeunes chercheurs a trouvé un moyen de laisser la lumière elle-même décider d'engager une protection topologique ou de se comporter comme dans un milieu conventionnel. "En fonction de leur intensité maximale, les impulsions optiques peuvent se comporter de manières fondamentalement différentes, " précise Lukas Maczewsky, doctorat étudiant et auteur principal de l'ouvrage. "La non-linéarité est le mot magique :en photonique, parfois deux plus deux, c'est vraiment plus que quatre. » Après deux ans de recherche intense et d'innombrables heures dans les laboratoires de l'Institut de physique de l'Université de Rostock, ces efforts ont porté leurs fruits.

L'isolant topologique induit par non-linéarité - un nouveau matériau synthétique - permet aux impulsions lumineuses au-dessus d'un certain seuil d'intensité d'établir un domaine topologique transitoire dans leur voisinage immédiat. Le fan autoproclamé de « Star Trek » Szameit brosse un tableau saisissant de la physique complexe en jeu :« Tout comme l'U.S.S. Enterprise lève ses boucliers, le cocon protecteur auto-généré suit les impulsions lumineuses et les préserve le long de leur chemin choisi."

La collaboration internationale fructueuse a considérablement fait progresser la science fondamentale dans le domaine de l'optique quantique et en particulier la recherche sur les isolants topologiques photoniques. Jusqu'à ce que ces pièces puissent être assemblées dans un ordinateur quantique optique fonctionnel - le Saint Graal poursuivi par des groupes du monde entier - plusieurs défis restent à résoudre. Néanmoins, la plus récente découverte des physiciens est très prometteuse pour de nombreuses applications innovantes telles que le traitement du signal tout optique protégé topologiquement et les réseaux neuronaux photoniques auto-améliorés. Compte tenu du rythme rapide des progrès, ces idées qui aujourd'hui peuvent sembler de la science-fiction, pourrait bientôt devenir réalité.