Les isolants topologiques ont été un domaine de recherche passionnant avec un intérêt fondamental ainsi que des applications pratiques telles que le transport robuste des électrons et de la lumière, et l'informatique quantique topologique. La caractéristique de ces isolants topologiques conventionnels est la présence de modes limites conducteurs qui ont une dimension inférieure au système massif isolant qui les héberge - par exemple un mode bord unidimensionnel à la limite d'un système bidimensionnel, ou un état de surface bidimensionnel à la frontière d'un système tridimensionnel. En 2017, les scientifiques ont généralisé ce concept pour prédire une nouvelle phase de la matière appelée isolants topologiques d'ordre supérieur (HOTI), qui prennent en charge les « modes d'angle »—par ex. un mode à zéro dimension dans un système à deux dimensions. Depuis, il y a eu plusieurs démonstrations expérimentales de cette nouvelle phase HOTI, dont la plupart impliquent des géométries compliquées. De plus, ces systèmes précédents sont fixes, c'est-à-dire on ne peut pas changer ou ajuster dynamiquement leur comportement topologique d'ordre supérieur une fois qu'ils sont fabriqués.

Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et applications , une équipe de scientifiques, dirigé par le professeur Shanhui Fan de l'Université de Stanford, ETATS-UNIS, et des collègues ont proposé un moyen de réaliser une telle topologie d'ordre supérieur et des états de coin en utilisant un concept émergent appelé «dimensions synthétiques, ' dans des structures plus simples et d'une manière dynamiquement ajustable. D'habitude, les particules comme les photons et les électrons sont supposées se déplacer dans les trois directions :x, y et z, ou longueur, largeur et profondeur. Et si l'on pouvait imaginer le mouvement des photons au-delà de ces trois directions « réelles » ? L'équipe appelle ces directions de mouvement supplémentaires « dimensions synthétiques ».

Pour faire ce saut conceptuel des trois dimensions réelles aux dimensions synthétiques, ils ont exploité les propriétés internes inhérentes à tous les photons - la fréquence ou la couleur de la lumière, qui détermine la quantité d'énergie transportée par un photon. Des travaux antérieurs de l'équipe de Stanford et d'autres groupes ont démontré des phases topologiques conventionnelles (de premier ordre) en utilisant ce concept de dimensions synthétiques, y compris des phénomènes physiques intrigants tels que l'effet Hall quantique. Cependant, la topologie d'ordre supérieur était restée jusqu'à présent hors de portée des dimensions synthétiques, bien que la nature hautement dimensionnelle des HOTIs soit très bien adaptée à l'idée de dimensions synthétiques.

Pour construire l'isolant topologique d'ordre supérieur, les chercheurs proposent d'utiliser un ensemble de résonateurs en anneau couplés les uns aux autres selon un agencement spécifique. Chaque résonateur annulaire est essentiellement un fil mince d'un matériau transparent enroulé sur lui-même, tel qu'un photon peut faire plusieurs fois le tour de la boucle. Une paire de deux résonateurs annulaires identiques forme ensemble une "molécule photonique, ' tout comme deux atomes d'hydrogène forment une molécule diatomique. En disposant plusieurs de ces molécules photoniques le long d'une ligne, un isolant topologique de second ordre pour les photons peut être formé. Tout comme dans les dimensions réelles, on peut contrôler si un photon se déplace vers la droite ou vers la gauche (disons dans la direction x), le résonateur en anneau peut contrôler en dimensions synthétiques si un photon monte ou descend en fréquence. Un tel mouvement de fréquence est obtenu avec un autre composant photonique appelé modulateur, un dispositif qui peut modifier l'indice de réfraction du matériau à grande vitesse, ce qui les rend indispensables aux réseaux de télécommunications optiques d'aujourd'hui.

Prochain, l'équipe prédit comment la caractéristique de la topologie d'ordre supérieur - les modes de coin - peut être vue dans ce système en envoyant des fréquences spécifiques de lumière laser dans l'ensemble de molécules photoniques. Pour ces modes de coin, la lumière est confinée au coin de la structure bidimensionnelle constituée d'une dimension réelle et d'une dimension de fréquence synthétique, et il n'y a presque pas de lumière dans le reste de la structure.

"Un grand avantage des dimensions synthétiques est la flexibilité avec laquelle divers boutons peuvent être contrôlés pour régler les paramètres du système. En contrôlant la force et la synchronisation du signal électronique appliqué aux modulateurs dans les molécules photoniques, nous avons montré comment ces modes d'angle pouvaient être activés et désactivés. En d'autres termes, vous pouvez faire passer le système d'une topologie d'ordre supérieur à une topologie sans topologie, dynamiquement. Cette capacité est inégalée dans les systèmes électroniques ou photoniques typiques, ", disent les auteurs.

Avec des dimensions synthétiques, on peut penser à construire des isolants topologiques de très grande dimension, qui sont difficiles à construire ou même à imaginer dans l'espace réel car nous vivons dans un monde en trois dimensions. Par exemple, l'équipe construit un isolant topologique du quatrième ordre dans un système à quatre dimensions, ce qui n'a pas été prédit auparavant car il est au-delà de la portée de l'espace réel tridimensionnel.

"Nos recettes expliquent comment utiliser des dimensions synthétiques pour mettre en œuvre des phénomènes de grande dimension très compliqués, y compris des isolants topologiques d'ordre extrêmement élevé et d'autres phases exotiques de lumière et de matière, dans des systèmes beaucoup plus simples, et contrôler dynamiquement leurs propriétés presque à volonté. Les réalisations expérimentales de ce concept sont bien à la portée de la technologie photonique de pointe actuelle, " ajoutent les scientifiques.