Des chercheurs néerlandais de l'AMOLF et de la TU Delft ont vu la lumière se propager dans un matériau spécial sans réflexion. Le matériel, un cristal photonique, se compose de deux parties qui ont chacune un motif de perforations légèrement différent. La lumière peut se propager le long de la frontière entre ces deux parties d'une manière particulière :elle est « topologiquement protégée, " et ne rebondit donc pas sur les imperfections. Même lorsque la limite forme un angle aigu, la lumière le suit sans problème.

"Pour la première fois, nous avons vu ces ondes lumineuses fascinantes se déplacer à l'échelle technologiquement pertinente de la nanophotonique, " dit Ewold Verhagen, chef de groupe chez AMOLF. Les résultats seront publiés dans le numéro du 6 mars de Avancées scientifiques .

Isolateurs topologiques :électronique spéciale

Verhagen et son collaborateur Kobus Kuipers de la TU Delft se sont inspirés des matériaux électroniques, où les isolants dits topologiques forment une nouvelle classe de matériaux au comportement remarquable. Là où la plupart des matériaux sont conducteurs pour les électrons ou non (ce qui en fait un isolant), les isolants topologiques présentent une étrange forme de conduction. "L'intérieur d'un isolant topologique ne permet pas la propagation des électrons, mais le long du bord, les électrons peuvent se déplacer librement, " dit Verhagen. " Surtout, la conduction est « topologiquement protégée »; les électrons ne sont pas impactés par le désordre ou les imperfections qui les refléteraient typiquement. La conduction est donc profondément robuste."

Traduction en photonique

Dans la dernière décennie, les scientifiques ont également essayé de trouver ce comportement pour la conduction de la lumière. "Nous voulions vraiment réaliser une protection topologique de la propagation de la lumière à l'échelle nanométrique et ainsi ouvrir la porte au guidage de la lumière sur les puces optiques sans qu'elle soit gênée par la diffusion au niveau des imperfections et des angles vifs, " dit Verhagen.

Pour leurs expériences, les chercheurs ont utilisé des cristaux photoniques bidimensionnels avec deux motifs de trous légèrement différents. Le « bord » qui permet la conduction de la lumière est l'interface entre les deux motifs de trous. "La conduction lumineuse au bord est possible car la description mathématique de la lumière dans ces cristaux photoniques peut être décrite par des formes spécifiques, ou plus précisément par topologie, " dit Kuipers. La topologie des deux modèles de trous différents diffère et précisément cette propriété permet la conduction de la lumière à la frontière, semblable aux électrons dans les isolants topologiques. Étant donné que la topologie des deux configurations de trous est verrouillée, la conduction lumineuse ne peut pas être révoquée; il est "topologiquement protégé".

Imagerie de la lumière topologique

Les chercheurs ont réussi à imager la propagation de la lumière avec un microscope et ont constaté qu'elle se comportait comme prévu. De plus, ils ont été témoins de la topologie, ou description mathématique, à la lumière observée. Kuipers dit, "Pour ces ondes lumineuses, la polarisation de la lumière tourne dans une certaine direction, analogue au spin des électrons dans les isolants topologiques. La direction de rotation de la lumière détermine la direction dans laquelle cette lumière se propage. Parce que la polarisation ne peut pas changer facilement, l'onde lumineuse peut même circuler dans les angles vifs sans se refléter ni se disperser, comme cela se produirait dans un guide d'ondes ordinaire.

Pertinence technologique

Les chercheurs sont les premiers à observer directement la propagation de la lumière topologiquement protégée à l'échelle technologiquement pertinente des puces nanophotoniques. En utilisant délibérément des puces de silicium et de la lumière d'une longueur d'onde similaire à celle utilisée dans les télécommunications, Verhagen espère augmenter les perspectives d'application.

« Nous allons maintenant étudier s'il existe des limites pratiques ou fondamentales à la protection topologique et quelles fonctionnalités d'une puce optique nous pourrions améliorer avec ces principes. La première chose à laquelle nous pensons est de fabriquer les sources lumineuses intégrées sur une puce photonique. plus fiable. C'est important dans la perspective d'un traitement des données économe en énergie ou d'une « TIC verte ». »

Aussi, la protection topologique de la lumière peut être utile pour transférer efficacement de petits paquets d'informations quantiques.