La lumière peut participer à des phénomènes particuliers à l'échelle nanométrique. L'exploration de ces phénomènes peut débloquer des applications sophistiquées et fournir des informations utiles sur les interactions entre les ondes lumineuses et d'autres matériaux.

Dans une étude récente, des scientifiques de l'Université Cornell proposent une nouvelle méthode par laquelle la lumière nanométrique peut être manipulée et transportée. Ces modes spéciaux de transport de la lumière sont connus pour se produire à des interfaces finement réglées entre des nanomatériaux légèrement différents. Minwoo Jung, chercheur principal de cette étude, illustre ce concept par une analogie simple :« Un tube flottant a un trou au milieu, mais pas un ballon normal. Peu importe comment vous serrez le ballon rond, il ne peut pas être remodelé comme un beignet - du moins pas sans faire éclater le ballon, re-tricoter le caoutchouc, et réinjecter l'air. Ainsi, un tube et un ballon sont distincts dans leur topologie car ils ne sont pas reliés par une déformation lisse."

Jung explique en outre que les physiciens se sont intéressés au collage de deux matériaux topologiquement distincts côte à côte de sorte que l'un d'eux agisse comme un ballon et l'autre comme un tube. Cela signifie que, à leur interface, un processus qui relie ces deux matériaux doit se produire, un peu comme le piquer/éclater/re-tricoter/réinjecter d'un ballon à un tube. Dans les bonnes conditions, ce processus peut donner naissance à un canal puissant de transmission d'énergie ou d'informations le long de l'interface. Parce que ce processus peut être appliqué à la lumière (qui agit comme un vecteur d'énergie ou d'information), cette branche de la physique est appelée photonique topologique.

Jung et son équipe ont combiné le concept fascinant de la photonique topologique avec une technique innovante qui piège la lumière dans un matériau atomiquement mince. Cette méthode a réuni deux domaines émergents en physique appliquée et fondamentale :le graphène nanolight et la photonique topologique. Jung dit, "Le graphène est une plate-forme prometteuse pour le stockage et le contrôle de la lumière nanométrique et pourrait être la clé du développement de dispositifs nanophotoniques sur puce et ultracompacts, tels que les guides d'ondes et les cavités."

L'équipe de recherche a effectué des simulations impliquant une feuille de graphène en couches sur un matériau à nanomotifs qui fonctionne comme une métaporte. Cette métaporte en nid d'abeille se compose d'une couche solide de matériau avec des trous de différentes tailles, centré aux sommets des hexagones. Les rayons variables de ces trous affectent la façon dont les photons traversent le matériau. Les scientifiques ont découvert que le "collage" stratégique de deux métaportes différentes crée un effet topologique qui confine les photons à leur interface de manière prévisible, manière contrôlable.

Différents choix de conceptions de métaporte démontrent la hiérarchie dimensionnelle de la topologie de l'appareil. Spécifiquement, selon la géométrie de la métaporte, La nanolumière peut être amenée à circuler le long des bords unidimensionnels de l'interface topologique ou peut être stockée topologiquement à des sommets à zéro dimension (semblables à des points). De plus, la métaporte permet la commutation électrique tout ou rien de ces guides d'ondes ou cavités. De tels effets topologiques fonctionnant sur batterie peuvent bénéficier à l'adoption technologique de la photonique topologique dans des dispositifs pratiques.

L'équipe de Jung est optimiste quant au fait que la combinaison synergique de la nanolumière de graphène et de la photonique topologique stimulera des avancées dans les domaines de recherche pertinents, comme l'optique, sciences des matériaux, et la physique du solide. Leur système de matériaux à base de graphène est simple, efficace, et adapté aux applications nanophotoniques :un pas en avant dans l'exploitation du plein potentiel de la lumière.