Les isolants topologiques sont des états exotiques de la matière que les physiciens étudient intensément au cours de la dernière décennie. Leur caractéristique la plus intrigante est qu'ils peuvent être rigoureusement distingués de tous les autres matériaux à l'aide d'un concept mathématique connu sous le nom de « topologie ». Cette propriété mathématique confère aux isolants topologiques la capacité de transporter des signaux électriques sans dissipation, via des états quantiques spéciaux appelés « états de surface topologiques ».

Cependant, les isolants topologiques ne doivent pas seulement être réalisés avec des électrons. Les physiciens ont également conçu des isolants topologiques photoniques, des matériaux synthétiques qui transmettent des ondes lumineuses avec des caractéristiques topologiques distinctes, permettant à la lumière (plutôt qu'aux courants électriques) de circuler via les états de surface topologiques. Contrairement aux isolants topologiques électroniques, les isolants topologiques photoniques peuvent fonctionner facilement à température ambiante, entre autres avantages. Par conséquent, les isolants topologiques photoniques pourraient avoir des applications dans les futurs dispositifs optiques, tels que les lasers à haute puissance et les diodes optiques.

Une équipe de chercheurs de l'Université technologique de Nanyang (NTU), Singapour, et l'Université du Zhejiang, Chine, a annoncé le développement du premier isolant topologique photonique tridimensionnel (3D) au monde. Dans un article à paraître dans un prochain numéro de La nature , l'équipe rapporte qu'un réseau 3D de résonateurs spécialement conçu peut agir comme un isolant topologique pour les micro-ondes. Ils ont observé des preuves sans ambiguïté des états de surface topologiques de signature, sous la forme de micro-ondes qui s'écoulent sans effort le long de feuilles 2D intégrées dans le volume 3D de leur échantillon.

"Les chercheurs précédents étaient capables de fabriquer des isolants topologiques photoniques bidimensionnels. Mais malgré de nombreuses propositions théoriques au fil des ans, personne n'avait pu réaliser une version 3D, " déclare le professeur agrégé Baile Zhang de NTU, qui a co-supervisé le projet. Il note que les isolants topologiques 3-D ont des capacités importantes, y compris la capacité de canaliser les états de surface topologiques dans toutes les directions spatiales possibles. Dans l'une de leurs expériences, les chercheurs ont montré que les micro-ondes peuvent être guidées efficacement le long d'une surface 2D contenant des plis en zigzag.

L'équipe a construit l'isolant topologique photonique 3D à partir d'un empilement de fines feuilles de plastique incrustées d'antennes métalliques agissant comme de minuscules résonateurs électromagnétiques. La percée clé a été faite lorsqu'ils ont compris comment adapter les résonateurs pour interagir avec les ondes électromagnétiques d'une manière très spécifique, conférant aux ondes les caractéristiques topologiques souhaitées.

« Étant donné que les feuilles sont fabriquées à l'aide d'une technologie bien établie pour l'impression de circuits imprimés, cette conception est bon marché et simple à mettre en œuvre, " explique le professeur Hongsheng Chen de l'Université du Zhejiang, un autre co-superviseur du projet. "Par comparaison, d'autres propositions précédemment publiées dans la littérature scientifique impliquant l'utilisation de matériaux céramiques ou magnétiques non standards, avec lesquels il est très difficile de travailler si vous voulez faire un vrai appareil."

Dr Yihao Yang, un chercheur postdoctoral à NTU qui était l'auteur principal de l'article, a déclaré que l'équipe a pu construire un dossier scientifique convaincant en construisant des cartes détaillées de la façon dont les ondes électromagnétiques se déplacent dans l'isolant topologique photonique. "En insérant soigneusement une sonde de champ électromagnétique dans l'échantillon, nous avons mesuré les distributions de champ dans tout l'échantillon. Cela nous a permis de reconstruire les « relations de dispersion » qui servent de signatures physiques aux isolants topologiques, " il a dit.

Professeur agrégé Yidong Chong, un autre membre de l'équipe NTU, ont observé que ce travail est la première réalisation d'un isolant topologique synthétique 3-D non basé sur le passage du courant électrique. "C'est un exemple de l'universalité de la physique, " dit-il. " Un phénomène survenant dans un cadre, comme les matériaux quantiques, peut être reproduit dans un autre cadre, dans ce cas un milieu artificiel pour les ondes électromagnétiques. L'ingrédient clé est qu'ils obéissent aux mêmes équations et concepts théoriques. » Il suggère que l'isolant topologique photonique 3-D peut fournir un cadre intéressant pour étudier la physique fondamentale, car les états de surface topologiques sont régis par les mêmes équations que les électrons 2-D sans masse obéissant à la théorie de la relativité d'Einstein.

L'isolant topologique photonique 3D actuel est limité aux ondes électromagnétiques, à des fréquences relativement basses. "Si nous pouvons l'adapter aux fréquences optiques, c'est-à-dire des ondes de lumière visible, il pourrait y avoir des applications pour créer des puces informatiques optiques, laser, et toutes sortes de dispositifs optiques intéressants, " dit le professeur Zhang de NTU.