Des chercheurs du Joint Quantum Institute (JQI) ont créé la première puce en silicium capable de restreindre de manière fiable la lumière à ses quatre coins. L'effet, qui résulte des interférences des voies optiques, n'est pas altéré par de petits défauts lors de la fabrication et pourrait éventuellement permettre la création de sources robustes de lumière quantique.

Cette robustesse est due à la physique topologique, qui décrit les propriétés des matériaux qui sont insensibles aux petits changements de géométrie. Le virage de la lumière, qui a été signalé le 17 juin dans Photonique de la nature , est une réalisation d'un nouvel effet topologique, prévu pour la première fois en 2017.

En particulier, le nouveau travail est une démonstration de physique topologique quadripolaire. Un quadripôle est un arrangement de quatre pôles - des puits et des sources de champs de force tels que des charges électriques ou les pôles d'un aimant. Vous pouvez visualiser un quadripôle électrique en imaginant des charges à chaque coin d'un carré qui alternent positif-négatif-positif-négatif au fur et à mesure que vous longez le périmètre.

Le fait que le virage découle de la physique des quadripôles au lieu de la physique des dipôles, c'est-à-dire arrangements de seulement deux pôles - signifie qu'il s'agit d'un effet topologique d'ordre supérieur.

Bien que l'effet de virage ait déjà été observé dans les systèmes acoustiques et micro-ondes, le nouveau travail est la première fois qu'il est observé dans un système optique, dit le compagnon de JQI Mohammad Hafezi, l'auteur principal de l'article. "Nous avons développé des systèmes photoniques sur silicium intégrés pour réaliser des idées dérivées de la topologie dans un système physique, " dit Hafezi. " Le fait que nous utilisions des composants compatibles avec la technologie actuelle signifie que, si ces systèmes sont robustes, ils pourraient éventuellement être traduits en applications immédiates."

Dans le nouveau travail, la lumière laser est injectée dans une grille de résonateurs, des boucles rainurées dans le silicium qui confinent la lumière à des anneaux. En plaçant les résonateurs à des distances soigneusement mesurées, il est possible d'ajuster l'interaction entre les résonateurs voisins et de modifier le chemin parcouru par la lumière à travers la grille.

L'effet cumulatif est que la lumière au milieu de la puce interfère avec elle-même, faisant que la majeure partie de la lumière injectée dans la puce passe son temps aux quatre coins.

La lumière n'a pas de charge électrique, mais la présence ou l'absence de lumière dans un résonateur donné fournit une sorte de comportement polaire. De cette façon, le motif des résonateurs sur la puce correspond à un ensemble de quadripôles en interaction, précisément les conditions requises par la première prédiction des états topologiques de la matière d'ordre supérieur.

Pour tester leur modèle fabriqué, Hafezi et ses collègues ont injecté de la lumière dans chaque coin de la puce, puis ont capturé une image de la puce avec un microscope. Dans la lumière recueillie, ils ont vu quatre pics brillants, un à chaque coin de la puce.

Pour montrer que la lumière acculé était piégée par la topologie, et pas simplement en raison de l'endroit où ils ont injecté les lasers, ils ont testé une puce avec les deux rangées inférieures de résonateurs décalées. Cela a changé leurs interactions avec les résonateurs ci-dessus, et, au moins théoriquement, changé là où les points lumineux devraient apparaître. Ils ont de nouveau injecté la lumière dans les coins, et cette fois, tout comme la théorie l'avait prédit, les deux points lumineux inférieurs sont apparus au-dessus des rangées de résonateurs décalés et non aux coins physiques.

Malgré la protection contre les petits changements de placement du résonateur offerte par la topologie, une seconde, défaut de fabrication plus destructeur reste dans ces puces. Puisque chaque résonateur n'est pas exactement le même, les quatre points lumineux aux coins brillent tous avec des fréquences légèrement différentes. Cela signifie que, pour le moment, la puce n'est peut-être pas meilleure qu'un seul résonateur si elle est utilisée comme source de photons, les particules quantiques de lumière que beaucoup espèrent exploiter comme vecteurs d'informations quantiques dans les futurs appareils et réseaux.

« Si vous avez de nombreuses sources qui sont obligées par la topologie de cracher des photons identiques, alors vous pourriez les interférer, et cela changerait la donne, " dit Sunil Mittal, l'auteur principal de l'article et chercheur postdoctoral à JQI. "J'espère que ce travail incitera réellement les théoriciens à réfléchir à la recherche de modèles insensibles à ce trouble persistant des fréquences des résonateurs."