Pour l'étude actuelle, publiée dans Nature Photonics , les scientifiques ont utilisé l'interférence entre deux lasers pour créer un paysage d'énergie potentielle dynamique (imaginez un paysage de vallées et de collines, en mouvement constant et répétitif) pour un état de polaritons cohérent, semblable à celui d'un laser, connu sous le nom de condensat de polaritons.

Ils y sont parvenus en introduisant un nouvel outil optique, un tapis roulant optique, pour permettre le contrôle du paysage énergétique, concrètement, les profondeurs du réseau et les interactions entre les particules voisines.

En ajustant davantage la différence de fréquence entre les deux lasers, la bande transporteuse se déplace à des vitesses de l'ordre de 0,1 % de la vitesse de la lumière, entraînant les polaritons dans un nouvel état.

La non-réciprocité – un phénomène dans lequel la dynamique du système est différente dans des directions opposées – est un ingrédient crucial pour créer ce que l’on appelle une phase topologique artificielle de la matière. La topologie est la classification mathématique des objets en comptant le nombre de « trous », par exemple, un beignet ou un nœud peut avoir un nombre fini de trous, alors qu'une balle n'en a aucun.

Les matériaux quantiques peuvent également être conçus avec une topologie non nulle, qui dans ce cas est intégrée de manière plus abstraite dans la structure de bande. De tels matériaux peuvent présenter un comportement tel qu'un transport sans dissipation, ce qui signifie qu'ils peuvent se déplacer sans perte d'énergie, ainsi que d'autres phénomènes quantiques exotiques.

Il est extrêmement difficile d'introduire la non-réciprocité dans les plates-formes optiques techniques, et cette démonstration expérimentale simple et extensible ouvre de nouvelles opportunités pour les technologies quantiques émergentes intégrant une topologie fonctionnelle.

Le groupe de recherche, comprenant le premier auteur Yago del Valle Inclan Redondo, et dirigé par le chercheur scientifique principal Michael Fraser, tous deux de RIKEN CEMS et NTT Research, ainsi que des collaborateurs d'Allemagne, de Singapour et d'Australie, ont mené une étude dans cette direction.

Fraser déclare :"Nous avons créé un état topologique de la lumière dans une structure semi-conductrice par un mécanisme impliquant une modulation rapide du paysage énergétique, entraînant l'introduction d'une dimension synthétique."

Une dimension synthétique est une méthode permettant de mapper une dimension non spatiale, dans ce cas le temps, en une dimension semblable à l'espace, de telle sorte que la dynamique du système puisse évoluer dans un plus grand nombre de dimensions et devenir mieux adaptée à la réalisation de la matière topologique.

Ce travail s'étend sur une technique développée par le groupe, publiée l'année dernière, qui utilisait de la même manière des lasers modulés temporellement pour entraîner la rotation rapide des condensats de polaritons.

En utilisant ce schéma expérimental simple impliquant l'interférence entre deux lasers, les scientifiques ont pu organiser les polaritons précisément dans les bonnes dimensions pour créer une structure de bande artificielle, ce qui signifie que les particules s'organisent en bandes d'énergie comme les électrons dans un matériau.

En ajustant les dimensions, la profondeur et la vitesse du réseau optique polariton, on obtient un contrôle sur la structure de la bande. Grâce à ce mouvement rapide, les polaritons voient un paysage énergétique potentiel différent selon qu'ils se propagent avec ou contre le flux du réseau, un effet analogue au décalage Doppler du son.

Cette réponse asymétrique des polaritons confinés brise la symétrie d'inversion du temps, entraînant la non-réciprocité et la formation d'une structure de bande topologique.

"Les états photoniques dotés de propriétés topologiques peuvent être utilisés dans des dispositifs optoélectroniques avancés où la topologie pourrait améliorer considérablement les performances des dispositifs optiques, des circuits et des réseaux, par exemple en réduisant le bruit et les puissances de seuil laser, et en guidant les ondes optiques sans dissipation.

"En outre, la simplicité et la robustesse de notre technique ouvrent de nouvelles opportunités pour le développement de dispositifs photoniques topologiques avec des applications en métrologie quantique et en information quantique", conclut Fraser.