Dans la dernière décennie, un nouveau type de matériau a fait l'objet d'une attraction croissante :l'isolant topologique. Cette classe de matériaux présente une propriété très particulière :ils se comportent comme des isolants à l'intérieur, mais contiennent des états conducteurs à leurs frontières. Comme ces états sont protégés « topologiquement » (voir ci-dessous), les états sont très robustes contre les imperfections, et les courants électriques peuvent circuler presque sans aucune dissipation. Cela rend ces matériaux extrêmement intéressants pour la tâche de la communication quantique et de l'informatique quantique, par exemple.

Maintenant, le Dr Tao Shi (actuellement Académie chinoise des sciences, Pékin) et le professeur Ignacio Cirac de l'Institut Max Planck d'optique quantique de Garching, avec le professeur Jeff Kimble du California Institute of Technology (Pasadena, ETATS-UNIS), ont développé un schéma détaillé pour une installation expérimentale pour réaliser un isolant topologique en 2 dimensions avec des réseaux optiques classiques ( Actes de l'Académie nationale des sciences , AOP 10 octobre 2017). « Dans ce réseau, les modes photoniques jouent le rôle des états électroniques dans une couche à l'état solide, " explique le Dr Tao Shi. " En préparant des modes de photons chiraux à la frontière, nous pourrons peut-être construire un guide d'ondes électromagnétique unidirectionnel, où la lumière ne peut se propager que dans un sens, tandis que la direction opposée est interdite.

Les cristaux à l'état solide sont caractérisés par leur structure de bande. Dans le cas d'un isolant, la bande dite de valence, dans lequel tous les états électroniques sont occupés, est séparé de la bande de conduction par une large zone interdite. Cette, cependant, n'est valable que pour des échantillons infinis. Dans le cas d'un cristal ou d'une couche confinée, les états électroniques en surface ou en bord, respectivement, diffèrent de ceux de l'intérieur, et parfois ils émergent au milieu de la zone interdite. Comme la forme de la structure de bande est décrite mathématiquement par un certain nombre topologique, ces systèmes sont appelés en abrégé "isolants topologiques".

La chiralité des états de bord est verrouillée sur le spin de l'électron, et est par conséquent protégé par une symétrie de retournement temporel :une inversion de sens impliquerait un retournement de la direction du spin. Pour une certaine classe de matériaux avec un numéro topologique "non trivial", cela n'est pas autorisé. Par conséquent, les états sont protégés et robustes contre les imperfections ou les déformations, tant que les perturbations sont faibles. Dans une certaine classe d'isolants topologiques électroniques bidimensionnels, l'effet Hall de spin quantique (QSH) peut également être observé. Intuitivement, cet effet décrit le phénomène selon lequel des électrons de spins différents sont soumis à des champs magnétiques de direction opposée.

Différent des schémas précédents, les scientifiques proposent un montage composé d'éléments optiques passifs tels que des fibres, diviseurs de faisceau, et des plaques d'ondes, grâce à quoi les pertes du système sont réduites dans une large mesure. En construisant les nœuds du réseau avec une « mauvaise » cavité, c'est-à-dire une cavité à fort amortissement, ils sont capables d'améliorer considérablement la bande interdite topologique à l'échelle de la gamme spectrale libre. En conséquence, les modes de bord survivent dans le domaine fréquentiel plus large avec une durée de vie beaucoup plus longue. Par ailleurs, l'interaction entre la topologie et la non-linéarité de Kerr induit la génération de modes de bords comprimés.

"L'analogue optique d'un isolant topologique ouvre la voie à la construction du guide d'onde unidirectionnel, « En dehors de cela, notre objectif ultime est de réaliser l'effet Hall quantique fractionnaire (FQHE) dans ce système photonique. À cette fin, nous devons induire de fortes interactions photon-photon au moyen d'atomes. Nous aimerions également voir quelques phases topologiques exotiques dans le système photonique, qui peuvent être très différentes de celles observées dans les systèmes conventionnels de matière condensée.