Il y a cinq ans, Le chercheur postdoctoral de Stanford Momchil Minkov a rencontré une énigme qu'il était impatient de résoudre. Au cœur de son domaine de l'optique non linéaire se trouvent des dispositifs qui changent la lumière d'une couleur à une autre - un processus important pour de nombreuses technologies dans les télécommunications, l'équipement informatique et laser et la science. Mais Minkov voulait un appareil qui piège aussi les deux couleurs de lumière, un exploit complexe qui pourrait considérablement améliorer l'efficacité de ce processus de changement de lumière - et il voulait qu'il soit microscopique.

"J'ai été exposé pour la première fois à ce problème par Dario Gerace de l'Université de Pavie en Italie, pendant que je faisais mon doctorat. en Suisse. J'ai essayé de travailler dessus mais c'est très dur, " Minkov a déclaré. "Cela a été dans le dos de mon esprit depuis. Parfois, Je le mentionnais à quelqu'un dans mon domaine et ils diraient que c'était presque impossible."

Afin de prouver que le quasi-impossible était encore possible, Minkov et Shanhui Fan, professeur de génie électrique à Stanford, développé des lignes directrices pour la création d'une structure cristalline avec une forme en deux parties non conventionnelle. Les détails de leur solution ont été publiés le 6 août dans Optique , avec Gerace comme co-auteur. Maintenant, l'équipe commence à construire sa structure théorique pour les tests expérimentaux.

Une recette pour confiner la lumière

Quiconque a rencontré un pointeur laser vert a vu l'optique non linéaire en action. À l'intérieur de ce pointeur laser, une structure cristalline convertit la lumière laser de l'infrarouge au vert. (La lumière laser verte est plus facile à voir pour les gens, mais les composants pour fabriquer des lasers uniquement verts sont moins courants.) Cette recherche vise à adopter une conversion similaire de réduction de moitié de la longueur d'onde, mais dans un espace beaucoup plus petit, ce qui pourrait conduire à une grande amélioration de l'efficacité énergétique en raison des interactions complexes entre les faisceaux lumineux.

L'objectif de l'équipe était de forcer la coexistence des deux faisceaux laser à l'aide d'une cavité à cristal photonique, qui peut focaliser la lumière dans un volume microscopique. Cependant, les cavités à cristaux photoniques existantes ne confinent généralement qu'une seule longueur d'onde de lumière et leurs structures sont hautement personnalisées pour s'adapter à cette seule longueur d'onde.

Ainsi, au lieu de créer une structure uniforme pour tout faire, ces chercheurs ont conçu une structure qui combine deux manières différentes de confiner la lumière, un pour retenir la lumière infrarouge et un autre pour tenir le vert, tous encore contenus dans un petit cristal.

"Avoir différentes méthodes pour contenir chaque lumière s'est avéré plus facile que d'utiliser un mécanisme pour les deux fréquences et, en quelques sortes, c'est complètement différent de ce que les gens pensaient devoir faire pour accomplir cet exploit, ", a déclaré Fan.

Après avoir aplani les détails de leur structure en deux parties, les chercheurs ont produit une liste de quatre conditions, qui devrait guider ses collègues dans la construction d'une cavité à cristal photonique capable de contenir deux longueurs d'onde de lumière très différentes. Leur résultat ressemble plus à une recette qu'à un schéma, car les structures manipulant la lumière sont utiles pour tant de tâches et de technologies que les conceptions pour elles doivent être flexibles.

"Nous avons une recette générale qui dit, « Dites-moi quel est votre matériau et je vous dirai les règles que vous devez suivre pour obtenir une cavité de cristal photonique assez petite et confinant la lumière aux deux fréquences, '", a déclaré Minkov.

Informatique et curiosité

Si les canaux de télécommunications étaient une autoroute, basculer entre différentes longueurs d'onde de lumière équivaudrait à un changement de voie rapide pour éviter un ralentissement - et une structure contenant plusieurs canaux signifie un basculement plus rapide. L'optique non linéaire est également importante pour les ordinateurs quantiques car les calculs dans ces ordinateurs reposent sur la création de particules intriquées, qui peut être formé par le processus inverse qui se produit dans le cristal du laboratoire Fan, créant des particules de lumière rouges jumelées à partir d'une particule de lumière verte.

Envisager les applications possibles de leur travail aide ces chercheurs à choisir ce qu'ils vont étudier. Mais ils sont aussi motivés par leur désir de relever un bon défi et l'étrangeté complexe de leur science.

"Essentiellement, nous travaillons avec une structure de dalle avec des trous et en disposant ces trous, nous pouvons contrôler et tenir la lumière, ", a déclaré Fan. "Nous déplaçons et redimensionnons ces petits trous par milliardièmes de mètre et cela marque la différence entre le succès et l'échec. C'est très étrange et infiniment fascinant."

Ces chercheurs seront bientôt confrontés à ces subtilités en laboratoire, car ils commencent à construire leur cavité de cristal photonique pour des tests expérimentaux.