Les dispositifs optiques créent, guider, et détecter les ondes électromagnétiques et inclure les lasers, télescopes, et des cellules solaires. La plupart des matériaux utilisés dans ces dispositifs sont difficiles pour certaines applications en raison d'un phénomène connu sous le nom de réciprocité optique, une symétrie inhérente qui oblige la lumière à voyager dans les deux sens. Un exemple de défi applicatif est un laser haute puissance, où la lumière rétrodiffusée causée par la réciprocité optique peut endommager l'instrument.

Une nouvelle étude publiée dans Communication Nature décrit comment la réciprocité optique peut être brisée en utilisant les connaissances de la physique topologique. États topologiques induits, insuffler au matériau de nouvelles propriétés, peut aider à créer des systèmes "à sens unique" pour que la lumière voyage, permettant de créer des dispositifs optiques plus efficaces à l'avenir. La recherche a été dirigée par le professeur adjoint Bo Zhen et le postdoctorant Li He en collaboration avec le professeur Eugene Mele et les étudiants diplômés Zachariah Addison et Jicheng Jin, ainsi que le professeur Steven Johnson du MIT.

Bien qu'il existe certains matériaux naturellement existants qui peuvent rompre la réciprocité optique, cet effet magnéto-optique est souvent très faible, et les matériaux ne peuvent être utilisés que dans des systèmes statiques. Ces limitations signifient que les matériaux sont trop volumineux pour être utilisés sur de petites puces optoélectroniques. "C'est une barrière technique qui existe, " dit Zhen. " Outre cet effet magnéto-optique, nous demandons quelles autres possibilités scientifiques peuvent mettre en œuvre des effets similaires. »

Zhen et He ont étudié le LiNbO 3 , un matériau optique qui peut être transformé en films minces et pourrait être utilisé comme revêtement sur des puces optoélectroniques et de petits dispositifs. En tant que classe de matériau optique que les physiciens appellent non linéaire, LiNbO 3 peut rompre la réciprocité optique lorsqu'il est placé dans un cadre dynamique, comme être secoué au lieu de rester immobile, ou un système statique.

Les matériaux optiques non linéaires sont assez courants; la plupart des pointeurs laser de classe ont des cristaux optiques non linéaires qui convertissent la lumière infrarouge invisible en lumière verte visible. L'obstacle auquel sont confrontés les chercheurs est qu'il y a très peu d'informations sur les phases topologiques dans les matériaux optiques non linéaires, surtout quand ils sont dans des paramètres dynamiques.

Fort de l'expertise des chercheurs en photonique topologique et dans l'étude des matériaux à applications optoélectroniques, ils ont développé une théorie physique pour expliquer ce qui se passe dans les matériaux optiques non linéaires. Pour confirmer la théorie, Il a mené des expériences simulées sur des cristaux photoniques LiNbO3 et a découvert que des phases topologiques pouvaient être induites si le matériau était dans un système dynamique.

Plus important, disent les chercheurs, ces phases topologiques semblent n'avoir aucune contrepartie directe dans les systèmes électroniques, ce qui pourrait conduire à des fonctionnalités uniques dans les applications futures. "Par exemple, on pourrait potentiellement aussi réaliser un amplificateur ou atténuateur unidirectionnel, " dit-il.

Zhen dit qu'un aspect subtil de leurs découvertes est qu'elles fournissent une meilleure compréhension de la conservation de l'énergie dans les systèmes dynamiques, ce qui est moins simple que les systèmes statiques. Par exemple, lorsque les photons de lumière traversent un système dynamique, le nombre de photons reste le même, mais la quantité totale d'énergie peut changer à mesure que les photons captent ou libèrent de l'énergie. Mieux comprendre ce qui est conservé et ce qui ne l'est pas dans les systèmes dynamiques a été l'un des points forts de cette recherche pour Zhen et son équipe.

En tant que l'un des premiers articles à fournir une base pour l'étude future des états topologiques dans les matériaux optiques non linéaires, ce travail peut fournir des orientations pour de futurs travaux théoriques tout en fournissant un point de départ pour les expériences à venir.

"C'est vraiment le début d'un domaine très excitant, " dit Zhen. " Nous avons posé le cadre théorique sous-jacent et montré que même si le système statique est trivial, si nous le secouons de la bonne manière, ça devient quelque chose de très intéressant."