Rassembler des forces opposées en un seul endroit est aussi difficile que vous l'imaginez, mais les chercheurs dans le domaine de la science optique ont fait exactement cela.

Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie ont créé pour la première fois un appareil unique qui agit à la fois comme un laser et un anti-laser, et ils ont démontré ces deux fonctions opposées à une fréquence dans la bande des télécommunications.

Leurs découvertes, rapporté dans un article à paraître lundi, 7 novembre dans la revue Photonique de la nature , jeter les bases du développement d'un nouveau type de dispositif intégré avec la flexibilité de fonctionner comme un laser, un amplificateur, un modulateur, et un absorbeur ou un détecteur.

"Dans une seule cavité optique, nous avons obtenu à la fois une amplification et une absorption de lumière cohérente à la même fréquence, un phénomène contre-intuitif car ces deux états se contredisent fondamentalement, " a déclaré le chercheur principal de l'étude Xiang Zhang, chercheur principal à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab. "Ceci est important pour la modulation à grande vitesse des impulsions lumineuses dans la communication optique."

Inverser le laser

Le concept des anti-lasers, ou absorbeur parfait cohérent (CPA), a émergé ces dernières années comme quelque chose qui inverse ce que fait un laser. Au lieu d'amplifier fortement un faisceau lumineux, un anti-laser peut absorber complètement les faisceaux lumineux cohérents entrants.

Alors que les lasers sont déjà omniprésents dans la vie moderne, les applications des anti-lasers, démontrées pour la première fois il y a cinq ans par des chercheurs de l'université de Yale, sont toujours à l'étude. Parce que les anti-lasers peuvent capter des signaux cohérents faibles au milieu d'un fond incohérent "bruyant", il pourrait être utilisé comme un détecteur chimique ou biologique extrêmement sensible.

Un dispositif qui peut intégrer les deux capacités pourrait devenir un élément précieux pour la construction de circuits intégrés photoniques, les chercheurs ont dit.

"Le contrôle à la demande de la lumière de l'absorption cohérente à l'amplification cohérente n'a jamais été imaginé auparavant, et il reste très recherché dans la communauté scientifique, " a déclaré l'auteur principal de l'étude, Zi Jing Wong, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Zhang. "Cet appareil peut potentiellement permettre un très grand contraste en modulation sans limites théoriques."

Les chercheurs ont utilisé une technologie de nanofabrication sophistiquée pour construire 824 paires répétées de matériaux de gain et de perte pour former le dispositif, qui mesurait 200 micromètres de long et 1,5 micromètre de large. Une seule mèche de cheveux humains, par comparaison, mesure environ 100 micromètres de diamètre.

Le milieu de gain était composé de phosphure d'arséniure de gallium d'indium, un matériau bien connu utilisé comme amplificateur dans les communications optiques. Le chrome associé au germanium a formé le milieu de perte. La répétition du motif a créé un système résonant dans lequel la lumière rebondit dans tout l'appareil pour augmenter l'amplitude d'amplification ou d'absorption.

Si l'on veut envoyer de la lumière à travers un tel système de répétition gain-perte, une supposition éclairée est que la lumière connaîtra des quantités égales d'amplification et d'absorption, et la lumière ne changera pas d'intensité. Cependant, ce n'est pas le cas si le système satisfait aux conditions de symétrie parité-temps, qui est l'exigence clé dans la conception de l'appareil.

Équilibre et symétrie

La symétrie parité-temps est un concept issu de la mécanique quantique. Dans une opération de parité, les positions sont inversées, comme la main gauche devenant la main droite, ou vice versa.

Ajoutez maintenant l'opération d'inversion du temps, ce qui revient à rembobiner une vidéo et à observer l'action à l'envers. L'action inversée du gonflage d'un ballon, par exemple, serait ce même ballon qui se dégonflerait. En optique, la contrepartie inversée dans le temps d'un milieu à gain amplificateur est un milieu à pertes absorbant.

Un système qui revient à sa configuration d'origine lors de l'exécution à la fois des opérations de parité et d'inversion temporelle remplit la condition de symétrie parité-temps.

Peu de temps après la découverte de l'anti-laser, les scientifiques avaient prédit qu'un système présentant une symétrie parité-temps pourrait supporter à la fois des lasers et des anti-lasers à la même fréquence dans le même espace. Dans le dispositif créé par Zhang et son groupe, l'ampleur du gain et de la perte, la taille des blocs de construction, et la longueur d'onde de la lumière traversant se combinent pour créer des conditions de symétrie parité-temps.

Lorsque le système est équilibré et que le gain et la perte sont égaux, il n'y a pas d'amplification ou d'absorption nette de la lumière. Mais si les conditions sont perturbées de telle sorte que la symétrie est brisée, une amplification et une absorption cohérentes peuvent être observées.

Dans les expériences, deux faisceaux lumineux d'intensité égale ont été dirigés vers les extrémités opposées de l'appareil. Les chercheurs ont découvert qu'en ajustant la phase d'une source lumineuse, ils ont pu contrôler si les ondes lumineuses passaient plus de temps à amplifier ou à absorber les matériaux.

L'accélération de la phase d'une source lumineuse se traduit par une figure d'interférence favorisant le milieu de gain et l'émission de lumière cohérente amplifiée, ou un mode laser. Le ralentissement de la phase d'une source lumineuse a l'effet inverse, résultant en plus de temps passé dans le milieu de perte et l'absorption cohérente des faisceaux de lumière, ou un mode anti-laser.

Si les phases des deux longueurs d'onde sont égales et qu'elles entrent dans l'appareil en même temps, il n'y a ni amplification ni absorption car la lumière passe le même temps dans chaque région.

Les chercheurs ont ciblé une longueur d'onde d'environ 1, 556 nanomètres, qui se situe dans la bande utilisée pour les télécommunications optiques.

"Ce travail est la première démonstration d'un gain et d'une perte équilibrés qui satisfont strictement aux conditions de symétrie parité-temps, conduisant à la réalisation de laser et anti-laser simultanés, " a déclaré le co-auteur de l'étude Liang Feng, ancien chercheur postdoctoral au Zhang's Lab, et maintenant professeur adjoint de génie électrique à l'Université de Buffalo. « La réalisation réussie des effets laser et anti-laser au sein d'un seul appareil intégré est une étape importante vers la limite ultime de contrôle de la lumière. »