Les scientifiques ont découvert une manière élégante de manipuler la lumière en utilisant une force de Lorentz « synthétique », qui dans la nature est responsable de nombreux phénomènes fascinants, dont les aurores boréales.

Une équipe de physiciens théoriciens de l'Université d'Exeter a mis au point une nouvelle technique pour créer des champs magnétiques artificiels réglables, qui permettent aux photons d'imiter la dynamique des particules chargées dans des champs magnétiques réels.

L'équipe croit que la nouvelle recherche, publié dans une revue de premier plan Photonique de la nature , pourrait avoir des implications importantes pour les futurs dispositifs photoniques car il fournit une nouvelle façon de manipuler la lumière en dessous de la limite de diffraction.

Lorsque les particules chargées, comme les électrons, traversent un champ magnétique, ils ressentent une force de Lorentz due à leur charge électrique, qui courbe leur trajectoire autour des lignes de champ magnétique.

Cette force de Lorentz est responsable de nombreux phénomènes fascinants, allant des belles aurores boréales, au célèbre effet Hall quantique dont la découverte a été récompensée par le prix Nobel.

Cependant, car les photons ne portent pas de charge électrique, ils ne peuvent pas être directement contrôlés à l'aide de champs magnétiques réels car ils ne subissent pas de force de Lorentz; une limitation sévère qui est dictée par les lois fondamentales de la physique.

L'équipe de recherche a montré qu'il est possible de créer des champs magnétiques artificiels pour la lumière en déformant les métasurfaces en nid d'abeilles, des surfaces 2D ultrafines conçues pour avoir une structure à une échelle beaucoup plus petite que la longueur d'onde de la lumière.

L'équipe d'Exeter s'est inspirée d'une découverte remarquable il y a dix ans, où il a été montré que les électrons se propageant à travers une membrane de graphène contrainte se comportent comme s'ils étaient soumis à un champ magnétique important.

L'inconvénient majeur de cette approche d'ingénierie des contraintes est que pour régler le champ magnétique artificiel, il est nécessaire de modifier le modèle de contrainte avec précision, ce qui est extrêmement difficile, sinon impossible, à voir avec les structures photoniques.

Les physiciens d'Exeter ont proposé une solution élégante pour pallier ce manque fondamental d'accordabilité.

Charlie Ray Mann, le scientifique principal et auteur de l'étude, explique :« Ces métasurfaces, supporter les excitations hybrides lumière-matière, appelés polaritons, qui sont piégés sur la métasurface.

"Ils sont ensuite déviés par les distorsions de la métasurface d'une manière similaire à la façon dont les champs magnétiques dévient les particules chargées.

"En exploitant la nature hybride des polaritons, nous montrons que vous pouvez régler le champ magnétique artificiel en modifiant l'environnement électromagnétique réel entourant la métasurface."

Pour l'étude, les chercheurs ont intégré la métasurface entre deux miroirs - connus sous le nom de cavité photonique - et montrent que l'on peut régler le champ magnétique artificiel en modifiant uniquement la largeur de la cavité photonique, supprimant ainsi la nécessité de modifier la distorsion dans la métasurface.

Charlie a ajouté :« Nous avons même démontré que vous pouvez désactiver entièrement le champ magnétique artificiel à une largeur de cavité critique, sans avoir à supprimer la distorsion dans la métasurface, quelque chose qui est impossible à faire dans le graphène ou tout autre système qui émule le graphène.

"En utilisant ce mécanisme, vous pouvez courber la trajectoire des polaritons à l'aide d'une force réglable de type Lorentz et également observer la quantification Landau des orbites des cyclotrons des polaritons, en analogie directe avec ce qui arrive aux particules chargées dans les champs magnétiques réels.

"De plus, nous avons montré que vous pouvez considérablement reconfigurer le spectre de niveau de polariton Landau en changeant simplement la largeur de la cavité."

Dr Eros Mariani, le superviseur principal de l'étude, a déclaré:"Être capable d'émuler des phénomènes avec des photons qui sont généralement considérés comme exclusifs aux particules chargées est fascinant d'un point de vue fondamental, mais cela pourrait aussi avoir des implications importantes pour les applications photoniques.

« Nous sommes ravis de voir où mène cette découverte, car il pose de nombreuses questions intrigantes qui peuvent être explorées dans de nombreuses plates-formes expérimentales différentes à travers le spectre électromagnétique."