Animation montrant un soliton topologique tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Lumière laser voyageant à travers des guides d'ondes, des "fils de lumière" complexes sculptés à travers le verre, interagit avec lui-même pour former des motifs d'ondes auto-entretenus appelés solitons. La rotation en spirale des solitons est une signature de la forme spécifique des guides d'ondes et un indicateur que le dispositif est topologique. Crédit :Laboratoire Rechtsman, État de Pennsylvanie
Il a été démontré que la lumière laser traversant du verre richement microfabriqué interagit avec elle-même pour former des motifs d'ondes auto-entretenus appelés solitons. La conception complexe fabriquée dans le verre est un type "d'isolant topologique photonique, " un dispositif qui pourrait potentiellement être utilisé pour rendre les technologies photoniques comme les lasers et l'imagerie médicale plus efficaces.
Matériaux topologiques, qui ont reçu le prix Nobel en 2016, ont la capacité de "protéger" le flux d'ondes à travers eux contre les désordres et les défauts indésirables. Jusqu'à maintenant, notre compréhension de la protection topologique de la lumière s'est principalement limitée aux particules de lumière agissant indépendamment, mais dans un nouvel article qui paraît le 22 mai dans le journal Science , des chercheurs de Penn State rapportent qu'ils ont utilisé le verre pour arbitrer l'interaction entre les photons, observant directement les modèles d'ondes fondamentales de ces dispositifs complexes.
"Les gens sont peut-être plus familiers avec l'électronique, mais il y a tout un monde parallèle de 'photonique, ' où nous sommes concernés par les propriétés de la lumière au lieu des électrons, " a déclaré Mikael Rechtsman, Downsbrough Early Career Development Professeur de physique à Penn State, et auteur principal de l'article. "Il existe une myriade d'applications de la photonique, y compris dans l'énergie solaire, fibre optique pour télécommunication, fabrication par découpe laser, et lidar, qui est utilisé, par exemple, pour aider à contrôler les véhicules autonomes. La protection topologique offre la promesse de rendre les dispositifs photoniques plus économes en énergie, briquet, et plus compact."
Le concept de protection topologique peut être appliqué en électronique, photonique, systèmes atomiques et mécaniques. En électronique, par exemple, la protection topologique peut améliorer l'efficacité en faisant circuler les électrons de manière fiable à travers un matériau sans diffusion. Pour les électrons, cette protection nécessite des températures extrêmement froides, proche du zéro absolu, et très souvent, un fort champ magnétique extérieur, mais avec des photons, toutes les expériences peuvent être réalisées à température ambiante, et parce que les photons n'ont pas de charge, sans champ magnétique.
Pour réaliser leurs expériences, les chercheurs font briller un laser à travers un morceau de verre qui est traversé par une série de tunnels extrêmement précis, chacun avec un diamètre d'environ un dixième de celui d'un cheveu humain. Les tunnels, appelés "guides d'ondes, " agissent comme des fils, concentrant le flux de lumière à travers eux. Les guides d'ondes dans la pièce de verre sont disposés en grille, former un réseau, mais le chemin de chaque guide d'ondes à travers le verre n'est pas rectiligne - il est peut-être mieux décrit comme serpentine, avec des rebondissements conçus par les chercheurs avec une géométrie qui conduit à la protection topologique de la lumière.
Image au microscope du réseau de guides d'ondes écrit au laser (à gauche) fabriqué en verre par des chercheurs de Penn State pour avoir une géométrie qui conduit à la protection topologique de la lumière. La lumière laser traversant le verre richement microfabriqué - le schéma (à droite) montre les chemins tridimensionnels de quatre guides d'ondes dans le dispositif - s'est avérée interagir avec elle-même pour former des motifs d'ondes auto-entretenus appelés solitons. Crédit :Laboratoire Rechtsman, État de Pennsylvanie
"Nous avons dû construire l'installation de fabrication dans notre laboratoire pour sculpter avec précision les guides d'ondes tridimensionnels à travers le verre, un processus appelé écriture laser femtoseconde, " a déclaré Sebabrata Mukherjee, chercheur postdoctoral à Penn State et premier auteur de l'article. « La capacité d'écrire des guides d'ondes tridimensionnels est cruciale pour rendre l'appareil topologique, une propriété qui est confirmée expérimentalement en observant le flux de lumière « protégé » à sens unique le long du bord de l'appareil. »
Grâce à un processus appelé « effet Kerr, " les propriétés du verre sont modifiées en raison de la présence de la lumière laser intense. Ce changement dans le verre induit une interaction entre les nombreux photons, qui n'interagissent généralement pas, se propageant à travers le tableau. Au fur et à mesure que la puissance augmentait, la lumière s'est effondrée en un faisceau qui ne s'est pas étendu (c'est-à-dire, diffracter), mais plutôt tourné en spirales. La rotation en spirale des solitons est une signature de la forme spécifique des guides d'ondes conçus par les chercheurs et un indicateur que l'appareil est, En effet, topologique.
« Dans des circonstances normales, les photons s'ignorent les uns les autres, " a déclaré Rechtsman. "Vous pouvez croiser deux faisceaux laser et aucun ne sera modifié par l'autre. Dans notre système, nous avons pu faire interagir les photons et former des solitons car l'intensité du laser modifiait les propriétés du verre. Les photons ont pris conscience les uns des autres grâce au changement de leur environnement."
Les solitons sont connus pour être les formes d'onde les plus fondamentales dans de nombreux systèmes où l'interaction est médiée par l'environnement environnant.
"La compréhension théorique et le sondage expérimental des solitons dans des systèmes topologiques comme nos réseaux de guides d'ondes seront un ingrédient clé dans l'application d'une protection topologique pour une utilisation pratique dans les dispositifs photoniques, en particulier ceux qui nécessitent une puissance optique élevée, " a déclaré Rechtsman.
