Les cristaux fascinent les humains depuis des milliers d'années avec leur beauté visuelle et leurs formes symétriques élégantes, et, plus récemment, avec leurs nombreuses applications technologiques. Fondamentalement, ces matériaux reposent sur un agencement très régulier de leurs plus petits éléments constitutifs, et les propriétés physiques des matériaux cristallins dépendent fortement de la pureté de leur réseau sous-jacent.

Pourtant, les imperfections ne sont pas nécessairement préjudiciables. Par exemple, un saupoudrage d'atomes de groupes adjacents dans le tableau périodique est capable de transformer des dalles de silicium cristallin autrement inertes en de puissants processeurs électroniques effectuant régulièrement des milliards d'opérations par seconde, ainsi que des cellules solaires très efficaces capables de récolter la lumière du soleil pour alimenter eux.

Il s'avère que le concept de systèmes discrets ne se limite pas aux solides, puisque le même cadre mathématique sous-jacent décrit également l'évolution de la lumière dans les réseaux de soi-disant guides d'ondes.

Ces "fils de lumière" fascinent depuis longtemps le professeur Alexander Szameit de l'Université de Rostock. "Chaque enfant sait que la lumière se déplace en ligne droite. Au mieux, elle peut être réfléchie par un miroir ou déviée d'un certain angle lorsqu'elle pénètre dans un bloc de verre ou traverse une lentille", explique le responsable du groupe d'optique à semi-conducteurs. l'expérience quotidienne avec l'optique.

"Cela ne cesse de m'étonner que la lumière puisse réellement être épinglée à des trajectoires spécifiques, comme des électrons dans un cristal", poursuit-il en décrivant la base des recherches de son groupe. Dans cette veine, les réseaux de guides d'ondes peuvent refléter de nombreuses facettes de la physique du solide, et même donner lieu à des effets entièrement nouveaux et à de nouvelles structures fonctionnelles.

Pour leur nouvelle percée, les physiciens de Rostock se sont associés à des collègues du Technion Haïfa (Israël) et de l'Université du Zhejiang (Chine) pour construire un matériau optique artificiel jusqu'ici insaisissable :un isolant topologique tridimensionnel (TI) pour la lumière.

"Les isolants topologiques sont une nouvelle phase de la matière et ne sont connus que depuis quelques décennies", explique l'auteur, le Dr Lukas Maczewsky. "Leurs homologues photoniques peuvent guider la lumière autour des défauts et des angles vifs, et la protéger contre la dispersion dans le processus."

Pourtant, la lumière se déplace à des vitesses incroyables et les plates-formes photoniques conventionnelles doivent généralement sacrifier au moins une des trois dimensions spatiales pour contrôler le comportement de la lumière dans les autres. Par conséquent, les expériences précédentes sur les TI photoniques étaient limitées à des arrangements unidimensionnels et plans.

La solution élégante que l'équipe de chercheurs a trouvée pour surmonter ces limitations combine le concept de dimensions synthétiques avec un type spécifique de défaut, appelé « luxation de la vis ». Ce défaut judicieusement placé relie en continu les plans individuels du treillis en les tordant autour d'un axe central semblable à un tire-bouchon. Co-auteur et Ph.D. l'étudiant Julius Beck explique que "comme transformer une pile lâche d'anneaux en une spirale parfaitement connectée, ce défaut intentionnel nous a permis de créer le premier isolant topologique 3D pour la lumière."

La recherche a été publiée dans Nature . + Explorer plus loin

Photonique topologique dans les réseaux fractals