Effets topologiques, tels que ceux trouvés dans les cristaux dont les surfaces conduisent l'électricité alors que leur volume ne le fait pas, ont été un sujet passionnant de recherche en physique ces dernières années et ont fait l'objet du prix Nobel de physique 2016. Maintenant, une équipe de chercheurs du MIT et d'ailleurs a découvert de nouveaux phénomènes topologiques dans une autre classe de systèmes :les systèmes ouverts, où de l'énergie ou de la matière peut entrer ou être émise, par opposition aux systèmes fermés sans un tel échange avec l'extérieur.

Cela pourrait ouvrir de nouveaux domaines de recherche en physique fondamentale, l'équipe dit, et pourrait finalement conduire à de nouveaux types de lasers et d'autres technologies.

Les résultats sont publiés cette semaine dans le journal Science , dans un article du récent diplômé du MIT Hengyun "Harry" Zhou, Chao Peng, chercheur invité au MIT (professeur à l'Université de Pékin), Yoseob Yoon, étudiant diplômé du MIT, les récents diplômés du MIT Bo Zhen et Chia Wei Hsu, Professeur du MIT Marin Soljačić, le professeur de physique Francis Wright Davis John Joannopoulos, le professeur de chimie Haslam et Dewey Keith Nelson, et le professeur adjoint en développement de carrière Lawrence C. et Sarah W. Biedenharn Liang Fu.

Dans la plupart des recherches dans le domaine des effets physiques topologiques, Soljačić dit, systèmes dits "ouverts" - en termes physiques, ceux-ci sont connus sous le nom de systèmes non hermitiens - n'ont pas été beaucoup étudiés dans les travaux expérimentaux. Les complexités impliquées dans la mesure ou l'analyse de phénomènes dans lesquels de l'énergie ou de la matière peuvent être ajoutées ou perdues par rayonnement rendent généralement ces systèmes plus difficiles à étudier et à analyser de manière contrôlée.

Mais dans ce travail, l'équipe a utilisé une méthode qui a rendu ces systèmes ouverts accessibles, et "nous avons trouvé des propriétés topologiques intéressantes dans ces systèmes non hermitiens, " dit Zhou. En particulier, ils ont trouvé deux types spécifiques d'effets qui sont des signatures topologiques distinctives des systèmes non hermitiens. L'un d'eux est une sorte de fonction de bande qu'ils appellent un arc de Fermi en vrac, et l'autre est un type inhabituel de changement de polarisation, ou l'orientation des ondes lumineuses, émis par le cristal photonique utilisé pour l'étude.

Les cristaux photoniques sont des matériaux dans lesquels des milliards de petits trous très précisément formés et orientés sont faits, faisant interagir la lumière de manière inhabituelle avec le matériau. De tels cristaux ont été activement étudiés pour les interactions exotiques qu'ils induisent entre la lumière et la matière, qui recèlent le potentiel de nouveaux types de systèmes informatiques basés sur la lumière ou de dispositifs électroluminescents. Mais alors qu'une grande partie de cette recherche a été effectuée en utilisant fermé, systèmes hermitiens, la plupart des applications potentielles du monde réel impliquent des systèmes ouverts, ainsi les nouvelles observations faites par cette équipe pourraient ouvrir de nouveaux domaines de recherche, disent les chercheurs.

arcs de Fermi, l'un des phénomènes uniques découverts par l'équipe, défier l'intuition commune selon laquelle les contours énergétiques sont nécessairement des courbes fermées. Ils ont déjà été observés dans des systèmes fermés, mais dans ces systèmes, ils se forment toujours sur les surfaces bidimensionnelles d'un système tridimensionnel. Dans le nouveau travail, pour la première fois, les chercheurs ont découvert un arc de Fermi qui réside dans la majeure partie d'un système. Cet arc de Fermi massif relie deux points dans les directions d'émission, que l'on appelle des points exceptionnels, autre caractéristique des systèmes topologiques ouverts.

L'autre phénomène qu'ils ont observé consiste en un champ de lumière dans lequel la polarisation change selon la direction d'émission, formant progressivement un demi-tour au fur et à mesure que l'on suit la direction le long d'une boucle et revient au point de départ. "En contournant ce cristal, la polarisation de la lumière bascule réellement, " dit Zhou.

Cette demi-torsion est analogue à une bande de Möbius, il explique, dans laquelle une bande de papier est tordue d'un demi-tour avant de la relier à son autre extrémité, créer un groupe qui n'a qu'un seul côté. Cette torsion de type Möbius dans la polarisation de la lumière, Zhen dit, pourrait en théorie conduire à de nouvelles façons d'augmenter la quantité de données qui pourraient être envoyées via des liaisons à fibres optiques.

Le nouveau travail est "surtout d'intérêt scientifique, plutôt que technologique, " dit Soljačić. Zhen ajoute que " maintenant nous avons cette technique très intéressante pour sonder les propriétés des systèmes non hermitiens. " Mais il y a aussi une possibilité que le travail puisse finalement conduire à de nouveaux dispositifs, y compris de nouveaux types de lasers ou de dispositifs électroluminescents, ils disent.

Les nouvelles découvertes ont été rendues possibles par des recherches antérieures menées par bon nombre des mêmes membres de l'équipe, dans lequel ils ont trouvé un moyen d'utiliser la lumière diffusée par un cristal photonique pour produire des images directes qui révèlent les contours énergétiques du matériau, plutôt que d'avoir à calculer ces contours indirectement.

"Nous avions le pressentiment" qu'un tel comportement à demi-tour était possible et pouvait être "assez intéressant, " Soljačić dit, mais en fait, pour le trouver, il a fallu "beaucoup de recherche pour comprendre, comment y arriver ?"

"Peut-être l'aspect le plus ingénieux de ce travail est que les auteurs utilisent le fait que leur système doit nécessairement perdre des photons, qui est généralement un obstacle et une gêne, accéder à une nouvelle physique topologique, " dit Mikael Rechtsman, un professeur adjoint de physique à l'Université d'État de Pennsylvanie qui n'était pas impliqué dans ce travail. "Sans la perte … cela aurait nécessité des méthodes de fabrication 3D très complexes qui n'auraient probablement pas été possibles." En d'autres termes, il dit, la technique qu'ils ont développée " leur a donné accès à une physique 2D qui aurait été conventionnellement considérée comme impossible ".

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.