Les métamatériaux - des supports artificiels avec des structures de sous-longueur d'onde sur mesure - englobent désormais un large éventail de nouvelles propriétés qui ne sont pas disponibles dans la nature. Ce domaine de recherche s'est étendu sur différentes plates-formes d'ondes, menant à la découverte et à la démonstration d'une multitude de phénomènes d'ondes exotiques. Plus récemment, les concepts de métamatériaux ont été étendus au domaine temporel, ouvrant la voie à des concepts complètement nouveaux pour le contrôle des ondes, tels que la propagation non réciproque, l'inversion du temps, de nouvelles formes de gain optique et de traînée.

Parallèlement, le concept de matière design a également inspiré d'importants efforts de recherche en physique de la matière condensée, élargissant l'horizon des phases connues de la matière. L'activité récente dans la matière de Floquet, caractérisée par des modulations périodiques imposées, par ex. via une forte impulsion optique, sur le paysage énergétique vécu par les électrons dans un système, modifiant ainsi considérablement leur dynamique en régime permanent.

Dans un nouvel article Perspective publié dans eLight , une équipe de scientifiques dirigée par le professeur Andrea Alù de la City University of New York (CUNY) pointe la fenêtre d'opportunité offerte à la confluence entre la matière Floquet et les métamatériaux. Leur article Perspective met en évidence les opportunités passionnantes qui émergent de leurs synergies.

Un domaine où la physique Floquet a récemment trouvé un terrain fertile est celui des isolants topologiques, des matériaux qui hébergent des ondes à l'abri de la diffusion d'impuretés ou de désordre dans un matériau, et dont la découverte a conduit au prix Nobel de physique 2016. Les isolants topologiques statiques tirent généralement leurs propriétés exotiques de leur disposition cristalline spatiale spécifique, ou de l'application d'un champ magnétique. Cependant, la modulation temporelle périodique dans un système Floquet peut également produire un champ magnétique effectif synthétique, qui n'est pas propre aux électrons, mais peut ainsi être réalisé pour les ondes électromagnétiques (photons), les vibrations élastiques dans un matériau solide ou l'air (phonons), ou même des vagues d'eau, qui ne subissent normalement pas les effets d'un champ magnétique physique.

Les implémentations optiques des systèmes Floquet ont traditionnellement été réalisées en remplaçant la direction temporelle par une direction spatiale. Cependant, selon le théorème de Noether, les inhomogénéités temporelles impliquent intrinsèquement la présence de gains et de pertes dans un système :l'hypothèse courante de conservation de l'énergie ne tient généralement pas dans un tel scénario, selon lequel l'énergie est échangée avec le mécanisme externe (qui agit comme un bain) exerçant la modulation temporelle. En raison de leur dynamique de non-équilibre intrinsèque, les systèmes topologiques Floquet peuvent héberger des fonctionnalités uniques non disponibles dans leurs homologues statiques.

En parallèle, les métamatériaux permettent d'adapter les interactions extrêmes onde-matière, et la dimension temporelle est récemment apparue comme un nouveau degré de liberté pour concevoir la dynamique des ondes exotiques. Cela a inclus l'inversion du temps (à savoir l'analogue temporel de la réflexion à une frontière entre deux milieux), la non-réciprocité (propagation d'onde dépendante de la direction dans un matériau) et de nombreux autres effets. Il est important de noter que le concept de métamatériau s'est maintenant étendu à la plupart des domaines des ondes, offrant une plate-forme idéale où les concepts issus de la communauté des physiciens de Floquet peuvent s'épanouir et trouver un riche terrain de jeu expérimental.

Cependant, l'étendue de la physique des ondes englobée par les concepts de métamatériaux apporte également ses propres complexités exotiques et sa richesse de sophistication physique. Par exemple, la plupart des systèmes photoniques présentent un retard temporel intrinsèque dans leur réponse à une onde incidente, qui est généralement absent lors de la résolution de l'équation de Schrödinger pour les ondes de matière telles que les électrons. Cet effet, appelé dispersion (qui se cache derrière la division de la lumière blanche dans les couleurs de l'arc-en-ciel par un prisme, par exemple), introduit un terrain de jeu riche pour concevoir de nouvelles formes de réponses matérielles lorsque les propriétés des matériaux sont commutées dans le temps à des vitesses ultrarapides. Ces changements ultra-rapides (plus rapides que la période d'onde) des propriétés des matériaux imitent, dans le domaine temporel, ce que dans le domaine des métamatériaux on appelle les méta-atomes :ce sont les blocs de construction fondamentaux dont la réponse individuelle et l'arrangement périodique donnent naissance aux propriétés émergentes d'un métamatériau.

Par conséquent, l'adaptation de la commutation temporelle spécifique appliquée à une méta-structure ouvre une voie inexplorée pour la conception de métamatériaux Floquet, des structures où la synergie entre la réponse de méta-atomes temporels uniques et leur comportement Floquet émergent peut être exploitée pour la conception de métamatériaux complètement nouvelles formes d'interactions onde-matière. Ainsi, cette confluence promet d'enrichir les deux domaines avec le développement de nouveaux concepts fondamentaux, ainsi qu'une multitude d'opportunités pour des implémentations expérimentales dans tous les domaines des ondes (classiques). + Explorer plus loin

Nick of time :la variation temporelle de l'interaction lumière-matière stimule les métamatériaux photoniques