Les chercheurs de l'AMOLF, en collaboration avec l'Université de technologie de Delft, ont réussi à stopper les ondes lumineuses en déformant le cristal photonique bidimensionnel qui les contient. Les chercheurs montrent que même une déformation subtile peut avoir un effet substantiel sur les photons du cristal. Cela ressemble à l'effet qu'un champ magnétique a sur les électrons.
"Ce principe offre une nouvelle approche pour ralentir les champs lumineux et ainsi améliorer leur force. Réaliser cela sur une puce est particulièrement important pour de nombreuses applications", déclare Ewold Verhagen, responsable du groupe AMOLF.
Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue Nature Photonics . Simultanément, une équipe de recherche de l'Université d'État de Pennsylvanie a publié un article dans la même revue expliquant comment ils ont démontré, indépendamment de l'équipe néerlandaise, un effet identique.
La manipulation du flux de lumière dans un matériau à petite échelle est bénéfique pour le développement de puces nanophotoniques. Pour les électrons, une telle manipulation peut être réalisée à l’aide de champs magnétiques; la force de Lorentz dirige le mouvement des électrons. Cependant, cela est impossible pour les photons car ils n'ont pas de charge.
Les chercheurs du groupe Forces photoniques de l'AMOLF recherchent des techniques et des matériaux qui leur permettraient d'appliquer aux photons des forces qui ressemblent aux effets des champs magnétiques.
"Nous nous sommes inspirés de la manière dont les électrons se comportent dans les matériaux. Dans un conducteur, les électrons peuvent en principe se déplacer librement, mais un champ magnétique externe peut arrêter cela. Le mouvement circulaire provoqué par le champ magnétique arrête la conduction et, de ce fait, les électrons peuvent n'existent dans le matériau que s'ils ont des énergies très spécifiques. Ces niveaux d'énergie sont appelés niveaux de Landau et sont caractéristiques des électrons dans un champ magnétique", explique Verhagen.
"Mais, dans le graphène, un matériau bidimensionnel constitué d'une seule couche d'atomes de carbone disposés dans un cristal, ces niveaux de Landau peuvent également être provoqués par un mécanisme différent de celui d'un champ magnétique. En général, le graphène est un bon conducteur électronique. , mais cela change lorsque le réseau de cristaux est déformé, par exemple en l'étirant comme des élastiques.
"Une telle déformation mécanique arrête la conduction; le matériau se transforme en isolant et par conséquent les électrons sont liés aux niveaux de Landau. Par conséquent, la déformation du graphène a un effet similaire sur les électrons d'un matériau comme un champ magnétique, même sans aimant. Nous avons demandé nous-mêmes si une approche similaire fonctionnait également pour les photons."
En collaboration avec Kobus Kuipers de l'Université de Technologie de Delft, le groupe de Verhagen a en effet démontré un effet similaire pour la lumière dans un cristal photonique.
"Un cristal photonique est normalement constitué d'un motif régulier, bidimensionnel, de trous dans une couche de silicium. La lumière peut se déplacer librement dans ce matériau, tout comme les électrons dans le graphène", explique le premier auteur René Barczyk, qui a soutenu avec succès son doctorat. thèse sur ce sujet en 2023. "Briser cette régularité exactement de la bonne manière déformera le réseau et par conséquent verrouillera les photons. C'est ainsi que nous créons des niveaux de Landau pour les photons."
Aux niveaux de Landau, les ondes lumineuses ne bougent plus; ils ne coulent pas à travers le cristal mais restent immobiles. Les chercheurs ont réussi à le démontrer, en montrant que la déformation du réseau cristallin a un effet similaire sur les photons comme un champ magnétique sur les électrons.
Verhagen explique :« En jouant avec le modèle de déformation, nous avons même réussi à établir différents types de champs magnétiques efficaces dans un matériau. En conséquence, les photons peuvent se déplacer à travers certaines parties du matériau mais pas dans d'autres. Par conséquent, ces informations fournissent également de nouvelles façons d'orienter la lumière sur une puce."
Les travaux de Verhagen et de son équipe ont été inspirés par les prédictions théoriques de chercheurs de la Pennsylvania State University et de la Columbia University. Verhagen se souvient :« Lorsque nous effectuions nos premières mesures, il m'est arrivé de parler à l'un des auteurs de cette autre étude. Lorsqu'il s'est avéré qu'ils cherchaient également des preuves expérimentales de l'effet, nous avons décidé de ne pas rivaliser pour être les premiers. publier mais plutôt soumettre l'œuvre simultanément à l'éditeur."
Bien que certains détails de l'approche diffèrent, les deux équipes ont réussi à empêcher les ondes lumineuses de se déplacer et à observer les niveaux de Landau en déformant un cristal photonique bidimensionnel.
"Cela rapproche les applications sur puce", explique Verhagen. "Si nous pouvons confiner la lumière à l'échelle nanométrique et l'arrêter ainsi, sa force sera considérablement améliorée. Et pas seulement à un endroit, mais sur toute la surface du cristal. Une telle concentration de lumière est très importante dans les dispositifs nanophotoniques, car exemple pour le développement de lasers efficaces ou de sources de lumière quantique."
Plus d'informations : René Barczyk et al, Observation des niveaux de Landau et des états de bord chiraux dans les cristaux photoniques à travers des champs pseudomagnétiques induits par une contrainte synthétique, Nature Photonics (2024). DOI : 10.1038/s41566-024-01412-3
Informations sur le journal : Photonique naturelle
Fourni par AMOLF
