En 2015, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé le premier métamatériau sur puce avec un indice de réfraction de zéro, ce qui signifie que la phase de lumière pourrait être étirée infiniment longtemps. Le métamatériau représentait une nouvelle méthode de manipulation de la lumière et était un pas en avant important pour les circuits photoniques intégrés, qui utilisent la lumière plutôt que des électrons pour effectuer une grande variété de fonctions.

Maintenant, Les chercheurs de SEAS ont poussé cette technologie plus loin en développant un guide d'ondes à indice zéro compatible avec les technologies photoniques sur silicium actuelles. Ce faisant, l'équipe a observé un phénomène physique qui est généralement inobservable :une onde de lumière stationnaire.

La recherche est publiée dans ACS Photonique . Le Harvard Office of Technology Development a déposé une demande de brevet et explore les opportunités de commercialisation.

Lorsqu'une longueur d'onde de la lumière traverse un matériau, ses crêtes et ses creux se condensent ou s'étirent, selon les propriétés du matériau. Le degré de condensation des crêtes d'une onde lumineuse est exprimé sous la forme d'un rapport appelé indice de réfraction - plus l'indice est élevé, plus la longueur d'onde est écrasée.

Lorsque l'indice de réfraction est réduit à zéro, la lumière ne se comporte plus comme une onde en mouvement, voyager à travers l'espace dans une série de crêtes et de creux, autrement connu sous le nom de phases. Au lieu, la vague s'étire infiniment, créer une phase constante. La phase n'oscille que comme variable de temps, pas l'espace.

C'est passionnant pour la photonique intégrée car la plupart des dispositifs optiques utilisent des interactions entre deux ou plusieurs ondes, qui doivent se propager de manière synchronisée lorsqu'ils se déplacent dans le circuit. Si la longueur d'onde est infiniment longue, faire correspondre la phase des longueurs d'onde de la lumière n'est pas un problème, puisque les champs optiques sont les mêmes partout.

Mais après la percée initiale de 2015, l'équipe de recherche s'est heurtée à un catch-22. Parce que l'équipe a utilisé des prismes pour tester si la lumière sur la puce était effectivement étirée à l'infini, tous les appareils ont été construits en forme de prisme. Mais les prismes ne sont pas des formes particulièrement utiles pour les circuits intégrés. L'équipe souhaitait développer un appareil pouvant se brancher directement sur des circuits photoniques existants et pour cela, la forme la plus utile est un fil droit ou un guide d'ondes.

Les chercheurs, dirigés par Eric Mazur, le professeur de physique des Balkanski - a construit un guide d'ondes mais, sans l'aide d'un prisme, n'avait aucun moyen facile de prouver s'il avait un indice de réfraction de zéro.

Puis, les boursiers postdoctoraux Orad Reshef et Philip Camayd-Muñoz ont eu une idée.

D'habitude, une longueur d'onde de lumière est trop petite et oscille trop rapidement pour mesurer autre chose qu'une moyenne. La seule façon de voir une longueur d'onde est de combiner deux ondes pour créer des interférences.

Imaginez des cordes sur une guitare, épinglé de chaque côté. Lorsqu'une corde est pincée, l'onde traverse la corde, frappe la broche de l'autre côté et est réfléchie, créant deux ondes se déplaçant dans des directions opposées avec la même fréquence. Ce type d'interférence est appelé onde stationnaire.

Reshef et Camayd-Muñoz ont appliqué la même idée à la lumière dans le guide d'ondes. Ils ont « fixé » la lumière en projetant des faisceaux dans des directions opposées à travers l'appareil pour créer une onde stationnaire. Les ondes individuelles oscillaient toujours rapidement mais elles oscillaient à la même fréquence dans des directions opposées, c'est-à-dire qu'à certains points ils s'annulent et d'autres points qu'ils additionnent, créant un motif tout clair ou tout sombre. Et, en raison du matériau à indice zéro, l'équipe a pu étirer la longueur d'onde suffisamment grande pour voir.

C'est peut-être la première fois qu'une onde stationnaire avec des longueurs d'onde infiniment longues est observée.

"Nous avons pu observer une démonstration époustouflante d'un indice de zéro, " dit Reshef, qui a récemment accepté un poste à l'Université d'Ottawa. "En se propageant dans un milieu avec un indice aussi bas, ces caractéristiques d'onde, qui, à la lumière, sont généralement trop petits pour être détectés directement, sont agrandies pour que vous puissiez les voir avec un microscope ordinaire."

« Cela ajoute un outil important à la boîte à outils de la photonique sur silicium, " a déclaré Camayd-Muñoz. " Il y a de la physique exotique dans le régime de l'indice zéro, et maintenant nous apportons cela à la photonique intégrée. C'est une étape importante, car cela signifie que nous pouvons nous brancher directement sur des appareils optiques conventionnels, et trouver des utilisations réelles pour les phénomènes à indice zéro. À l'avenir, les ordinateurs quantiques peuvent être basés sur des réseaux d'atomes excités qui communiquent via des photons. La plage d'interaction des atomes est à peu près égale à la longueur d'onde de la lumière. En augmentant la longueur d'onde, nous pouvons permettre des interactions à longue portée pour étendre les dispositifs quantiques. »