Figure 1. Le profil d'intensité spatiale d'un faisceau laser se propageant dans un milieu non linéaire devient spontanément non uniforme en raison du processus d'instabilité modulationnelle. Crédit : Institut des sciences fondamentales
Nous connaissons mieux les quatre phases conventionnelles de la matière :solide, liquide, gaz, et plasma. Changements entre deux phases, connu sous le nom de transitions de phase, sont marqués par des changements brusques dans les propriétés des matériaux telles que la densité. Au cours des dernières décennies, un vaste corpus de recherches en physique a été consacré à la découverte de nouvelles phases non conventionnelles de la matière, qui émergent généralement à des températures ultra-basses ou dans des matériaux spécialement structurés. Les phases "topologiques" exotiques présentent des propriétés qui ne peuvent changer que de manière quantifiée (pas à pas), les rendant intrinsèquement robustes contre les impuretés et les défauts.
En plus des états topologiques de la matière, des phases topologiques de la lumière peuvent émerger dans certains systèmes optiques tels que les cristaux photoniques et les réseaux de guides d'ondes optiques. Les états topologiques de la lumière sont intéressants car ils peuvent constituer la base de futures technologies de communication basées sur la lumière et économes en énergie, telles que les lasers et les circuits optiques intégrés.
Cependant, à des intensités élevées, la lumière peut modifier les propriétés du matériau sous-jacent. Un exemple d'un tel phénomène est les dommages que les lasers à haute puissance peuvent infliger aux miroirs et aux lentilles. Cela affecte à son tour la propagation de la lumière, formant une boucle de rétroaction non linéaire. Les effets optiques non linéaires sont indispensables au fonctionnement de certains appareils comme les lasers, mais ils peuvent conduire à l'émergence du désordre de l'ordre dans un processus connu sous le nom d'instabilité modulationnelle, comme le montre la figure 1. Comprendre l'interaction entre la topologie et la non-linéarité est un sujet fascinant de recherche en cours.
Daniel Leykam, Aleksandra Maloukov, et Sergej Flach au Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS) au sein de l'Institute for Basic Science (IBS, Corée du Sud), avec leurs collègues Ekaterina Smolina et Daria Smirnova de l'Institut de physique appliquée, Académie russe des sciences et Université nationale australienne, ont proposé une nouvelle méthode pour caractériser les phases topologiques de la lumière en utilisant les instabilités non linéaires présentées par des faisceaux lumineux brillants. Cette recherche a été publiée dans Lettres d'examen physique .
Figure 2. Profil de polarisation en champ lointain des faisceaux laser après le développement de l'instabilité de modulation. Les phases topologiques triviales et non triviales peuvent être distinguées en comptant le nombre de tourbillons dans l'angle de polarisation. Il n'y a pas de vortex dans la phase triviale (à gauche), et une paire de tourbillons de charge opposée dans la phase non triviale (à droite). Crédit : Institut des sciences fondamentales
Dans ce travail, les chercheurs ont abordé la question fondamentale de savoir comment les phases topologiques de la lumière dans les supports optiques non linéaires subissent le processus d'instabilité modulationnelle. Il a été montré théoriquement que certaines caractéristiques de l'instabilité, comme son taux de croissance, peut différer entre les différentes phases topologiques. Les chercheurs ont effectué des simulations numériques de l'instabilité modulatrice et démontré qu'elle peut être utilisée comme un outil pour identifier différentes phases topologiques de la lumière. Un exemple de cette idée est illustré à la figure 2 :alors que les faisceaux lumineux générés par l'instabilité ont des schémas d'intensité apparemment aléatoires, ils présentent un ordre caché dans leur polarisation sous la forme de vortex robustes. Le nombre de tourbillons apparaissant du fait de l'instabilité est quantifié, et ils peuvent être utilisés pour distinguer différentes phases topologiques.
La façon la plus courante d'identifier les phases topologiques de la lumière a été de regarder les bords du matériau, où certaines longueurs d'onde optiques se localisent. Cependant, une caractérisation complète nécessite de mesurer les propriétés massiques du matériau, ce qui est une tâche beaucoup plus difficile. La lumière dans le matériau en vrac subit une interférence d'onde compliquée et est très sensible aux défauts, ce qui masque ses propriétés topologiques. Contre-intuitivement, les chercheurs ont montré comment les instabilités non linéaires peuvent être utilisées pour apprivoiser ces interférences indésirables et coder spontanément les propriétés topologiques globales du matériau en faisceaux lumineux. Cette approche fournit un moyen plus simple de sonder et peut-être même de générer des états topologiques de la lumière.
La prochaine étape sera de tester cette proposition dans une expérience. Par exemple, des réseaux de guides d'ondes optiques inscrits dans un verre seront une plate-forme idéale à cet effet. En projetant un faisceau laser pulsé brillant dans le verre, il doit être possible d'observer directement l'instabilité de modulation et de mesurer ainsi les propriétés topologiques du réseau de guides d'ondes. Le groupe de recherche discute actuellement de conceptions possibles pour la vérification expérimentale de leur théorie avec des collaborateurs.
