A l'EPFL, des chercheurs remettent en cause une loi fondamentale et découvrent que plus d'énergie électromagnétique peut être stockée dans les systèmes de guidage d'ondes qu'on ne le pensait auparavant. La découverte a des implications dans les télécommunications. Travaillant autour de la loi fondamentale, ils ont conçu des systèmes résonants et de guidage d'ondes capables de stocker de l'énergie sur une période prolongée tout en gardant une large bande passante. Leur astuce consistait à créer des systèmes de résonance ou de guidage d'ondes asymétriques utilisant des champs magnétiques.

L'étude, qui vient de paraître dans Science , était dirigé par Kosmas Tsakmakidis, d'abord à l'Université d'Ottawa puis au Laboratoire de systèmes bionophotoniques de l'EPFL dirigé par Hatice Altug, où le chercheur effectue actuellement une recherche post-doctorale.

Cette percée pourrait avoir un impact majeur sur de nombreux domaines de l'ingénierie et de la physique. Le nombre d'applications potentielles est proche de l'infini, avec les télécommunications, les systèmes de détection optique et la récupération d'énergie à large bande ne représentent que quelques exemples.

Rejeter la réciprocité

Les systèmes résonants et de guidage d'ondes sont présents dans la grande majorité des systèmes optiques et électroniques. Leur rôle est de stocker temporairement de l'énergie sous forme d'ondes électromagnétiques puis de les libérer. Depuis plus de 100 ans, ces systèmes étaient freinés par une limitation considérée comme fondamentale :la durée de stockage d'une onde était inversement proportionnelle à sa bande passante. Cette relation a été interprétée comme signifiant qu'il était impossible de stocker de grandes quantités de données dans des systèmes résonnants ou de guidage d'ondes sur une longue période de temps, car augmenter la bande passante signifiait diminuer le temps de stockage et la qualité du stockage.

Cette loi a été formulée pour la première fois par K. S. Johnson en 1914, chez Western Electric Company (le précurseur de Bell Telephone Laboratories). Il a introduit le concept du facteur Q, selon laquelle un résonateur peut soit stocker de l'énergie pendant longtemps, soit avoir une large bande passante, mais pas les deux à la fois. Augmenter le temps de stockage signifiait diminuer la bande passante, et vice versa. Une petite bande passante signifie une gamme limitée de fréquences (ou « couleurs ») et donc une quantité limitée de données.

Jusqu'à maintenant, ce concept n'avait jamais été remis en cause. Les physiciens et les ingénieurs ont toujours construit des systèmes résonants, comme ceux pour produire des lasers, réaliser des circuits électroniques et réaliser des diagnostics médicaux, en gardant cette contrainte à l'esprit.

Mais cette limitation appartient désormais au passé. Les chercheurs ont mis au point un système hybride résonant/guide d'ondes constitué d'un matériau magnéto-optique qui, lorsqu'un champ magnétique est appliqué, est capable d'arrêter la vague et de la stocker pendant une période prolongée, accumulant ainsi de grandes quantités d'énergie. Ensuite, lorsque le champ magnétique est éteint, l'impulsion piégée est libérée.

Avec de tels systèmes asymétriques et non réciproques, il était possible de stocker une onde pendant une très longue période de temps tout en conservant une large bande passante. La limite de bande passante conventionnelle a même été battue d'un facteur 1, 000. Les scientifiques ont en outre montré que, théoriquement, il n'y a aucun plafond supérieur à cette limite dans ces systèmes asymétriques (non réciproques).

"Ce fut un moment de révélation lorsque nous avons découvert que ces nouvelles structures ne comportaient aucune restriction de bande passante temporelle. Ces systèmes sont différents de ce à quoi nous sommes tous habitués depuis des décennies, et peut-être des centaines d'années", dit Tsakmakidis, l'auteur principal de l'étude. "Leurs performances supérieures de leur capacité de stockage des vagues pourraient vraiment être un catalyseur pour une gamme d'applications passionnantes dans divers domaines de recherche contemporains et plus traditionnels." Hatice Altug ajoute.

Médicament, l'environnement et les télécommunications

Une application possible réside dans la conception de tampons tout optique extrêmement rapides et efficaces dans les réseaux de télécommunication. Le rôle des tampons est de stocker temporairement des données arrivant sous forme de lumière à travers des fibres optiques. En ralentissant la masse de données, il est plus facile à traiter. Jusqu'à maintenant, la qualité de stockage avait été limitée+.

Avec cette nouvelle technique, il devrait être possible d'améliorer le processus et de stocker de grandes bandes passantes de données pendant des périodes prolongées. D'autres applications potentielles incluent la spectroscopie sur puce, récupération de lumière à large bande et stockage d'énergie, et le camouflage optique à large bande (« camouflage d'invisibilité »). "La percée signalée est tout à fait fondamentale - nous donnons aux chercheurs un nouvel outil. Et le nombre d'applications n'est limité que par l'imagination, " résume Tsakmakidis.