À l'intérieur du cristal, la lumière tourne en rond et les chercheurs ont observé, pour la première fois, qu'elle forme des bandes d'énergie discrètes appelées niveaux de Landau, qui sont parallèles à un phénomène bien connu observé chez les électrons.

Cette découverte pourrait ouvrir la voie à de nouvelles façons d'augmenter l'interaction de la lumière avec la matière, une avancée susceptible d'améliorer les technologies photoniques, comme les très petits lasers.

Ce travail, dirigé par des chercheurs de Penn State, était basé sur une prédiction théorique antérieure des membres de l'équipe, professeur de physique de Penn State, Mikael Rechtsman, étudiant diplômé de Penn State Jonathan Guglielmon et mathématicien de l'Université de Columbia, Michael Weinstein.

Un article décrivant les expériences a été publié le 23 avril dans la revue Nature Photonics. aux côtés d'un autre article rédigé par un groupe distinct de chercheurs aux Pays-Bas, dirigé par Ewold Verhagen, qui a observé indépendamment le même phénomène.

"Pour les particules chargées comme les électrons, de nombreuses données physiques intéressantes résultent de leurs interactions avec les champs magnétiques", a déclaré Rechtsman, chef de l'équipe de recherche. "Pour cette raison, il y a eu un intérêt à émuler cette physique pour les photons, qui ne sont pas chargés et ne répondent donc pas aux champs magnétiques."

Lorsque les électrons confinés à une surface bidimensionnelle sont exposés à un champ magnétique puissant, ils se déplacent sur des orbites circulaires, ou « cyclotrons ». Le mouvement de ces orbites devient quantifié :les électrons sont contraints à certaines énergies discrètes, appelées niveaux de Landau.

"Les niveaux de Landau s'apparentent en quelque sorte aux niveaux d'énergie des orbitales électroniques autour du noyau d'un atome", a déclaré Rechtsman. "Dans un atome, les niveaux d'énergie résultent de l'attraction d'électrons chargés négativement vers le noyau chargé positivement, tandis que les niveaux de Landau résultent de l'interaction des électrons avec un champ magnétique. Nous avons utilisé une méthode d'émulation d'un champ magnétique, appelée champ pseudomagnétique. champ - pour la lumière en manipulant avec précision la structure d'un cristal photonique. "

L'équipe de recherche crée ces cristaux dans de minuscules plaques de silicium, similaires à celles utilisées pour fabriquer des puces informatiques, au laboratoire de nanofabrication du Materials Research Institute de Penn State. Ils créent un réseau de trous en forme de nid d'abeille dans la plaque de silicium, qui ne représente que 1/1000ème de l'épaisseur d'un cheveu humain.

Les chercheurs projettent une lumière laser sur la dalle contenant le cristal, et le motif en treillis fait rebondir une partie de la lumière à l’intérieur du cristal. L’équipe peut alors mesurer le spectre de la lumière lorsqu’elle sort du cristal. Pour imiter les effets d'un champ magnétique, les chercheurs ajoutent une « déformation » au motif du réseau.

"Pour le réseau non contraint, nous avons fabriqué une structure en nid d'abeille à partir de trous triangulaires à l'échelle nanométrique qui se répète dans l'espace selon un motif bidimensionnel", a expliqué Rechtsman. "Pour ajouter de la tension, nous avons fabriqué une autre dalle, mais avons déformé le motif. Le nouveau motif donne l'impression que nous avons tiré vers le haut sur les deux côtés, tout en tirant vers le bas sur le côté inférieur."

Lorsque les chercheurs dirigent le laser vers le réseau non contraint, la lumière se propage uniformément dans le cristal. Dans le réseau tendu, la lumière se déplace en cercles et le spectre énergétique de la lumière change, formant des bandes discrètes, tout comme les niveaux de Landau. Contrairement aux niveaux de Landau dans les électrons, les bandes d'énergie ne sont pas plates. Au lieu de cela, ils sont incurvés, ce qui, selon les chercheurs, résulte du motif incurvé du cristal tendu.

"La nature incurvée des bandes est connue sous le nom de dispersion", a déclaré Rechtsman. "Pour tenter d'atténuer la dispersion, nous avons ajouté une contrainte supplémentaire au motif. Cette contrainte supplémentaire, qui agit comme un potentiel pseudo-électrique, neutralise la dispersion, nous donnant des niveaux de Landau à bande plate, tout comme ceux des électrons."

Les bandes plates représentent une concentration de photons à certaines énergies discrètes, offrant une possibilité d'augmenter l'interaction de la lumière avec la matière.

"Il existe de nombreuses applications dans lesquelles l'augmentation de l'interaction de la lumière et de la matière peut améliorer leur fonction", a déclaré Rechtsman. "Lorsque vous avez des bandes plates, cela signifie que la lumière reste plus longtemps au même endroit, ce qui signifie que quoi que vous essayiez de faire avec la lumière, vous pouvez le faire plus efficacement. En ce moment, nous étudions si nous pouvons utiliser cette conception pour des lasers plus efficaces sur des puces photoniques."