Grâce à leurs propriétés de bande interdite uniques, les cristaux photoniques offrent une excellente plateforme pour étudier la propagation et la localisation des ondes. Ces bandes interdites, causées par la structure périodique du cristal, peuvent contrôler la propagation des ondes et même inhiber complètement les ondes dans certaines gammes de fréquences.

Traditionnellement, on pensait que les modes limites dans les cristaux photoniques étaient fortement influencés par la taille du cristal (nombre de sites sur le réseau). Il est généralement admis que ces modes sont plus facilement confinés dans les grands systèmes (avec de nombreux sites de réseau), car la probabilité de tunneling diminue considérablement avec l'augmentation de la taille du système. Ce phénomène est essentiel dans la conception et la mise en œuvre de dispositifs photoniques hautes performances, en particulier dans la poursuite d'une intégration et d'une miniaturisation élevées des dispositifs.

De plus, dans la recherche sur les cristaux photoniques, les états liés dans le continuum (BIC) ont attiré l'attention car ils révèlent que certains modes uniques peuvent être confinés dans des régions spécifiques, même dans le spectre continu. Ce phénomène offre une nouvelle perspective pour comprendre et contrôler la localisation des ondes lumineuses. Il présente un grand potentiel dans des applications pratiques, telles que l'amélioration des performances et de l'efficacité des dispositifs optiques.

Nouvelle recherche publiée dans Light :Science &Applications propose et confirme l'existence d'états liés à des barrières finies. Le spectre d'un système se compose généralement de spectres continus et discrets (panneau de gauche de la figure 1). La sagesse conventionnelle soutient que le spectre des valeurs propres des états liés est discret, tandis que les états non liés forment un spectre continu.

Par exemple, dans les systèmes électroniques, si l'énergie de la particule est inférieure à l'énergie potentielle à l'infini, l'état est lié à un spectre discret; tandis que les particules dont l'énergie est supérieure à l'énergie potentielle se dispersent, formant un spectre continu.

Pour les ondes lumineuses et sonores, des états discrets se forment en raison de conditions aux limites imposées par une barrière, telle qu'une « bande interdite ». Ces états discrets peuvent être entièrement localisés dans des conditions idéales (largeur de barrière infinie, Fig. 1-II). Cependant, lorsque la largeur de la barrière est finie, il existe une probabilité que l'État traverse la barrière et devienne un état résonant (Fig. 1-III).

Notamment, les états liés dans le continuum (BIC) sont spatialement liés dans la plage d'énergie/fréquence du spectre continu (Fig. 1-I). Cette étude introduit un concept contre-intuitif parallèle aux BIC :certains états peuvent être entièrement liés dans des matériaux à bande interdite très minces, les rendant incapables de traverser le matériau à bande interdite (Fig. 1-IV et 1-V).

L’étude démontre d’abord une structure spéciale de bande de cristaux photoniques symétriques en miroir où la transition des modes limites peut être finement contrôlée. Lorsque la largeur du cristal photonique (le nombre de sites de réseau le long de la direction y, N_y ) est petit, les modes limites des deux côtés interagissent et se divisent en modes impairs et pairs (Fig. 2 a – d).

À des vecteurs d'onde spécifiques (nœuds), la force de couplage des modes limites est nulle. Même si la largeur (N_y ) du cristal photonique est très petit, le mode limite ne peut pas passer d'un côté à l'autre du cristal photonique (Fig. 2 e – f). En général, on pense que de nombreux sites de réseau sont nécessaires pour supprimer le couplage des modes limites. Néanmoins, cette étude remet en question ce point de vue et ouvre une nouvelle méthode pour manipuler le comportement des photons à l'échelle microscopique.

Suite à la configuration précédente, les chercheurs suppriment une limite PEC du cristal photonique, révélant une nouvelle configuration. Ils ont découvert que les modes limites restants au niveau de vecteurs d'ondes nodaux spécifiques sont entièrement piégés, formant des États liés activés par une barrière finie dans le continuum (FBIC).

Ces FBIC présentent des propriétés non rayonnantes en raison du découplage des deux modes limites. Aux nœuds, où la force de couplage des modes limites est nulle, un état avec un coefficient de rayonnement nul existe lorsqu'un côté du PEC est supprimé, et sa fréquence correspond à la fréquence nodale trouvée dans le scénario double PEC, l'identifiant comme un FBIC.

De plus, en modifiant le diélectrique circulaire en elliptique pour briser la symétrie du miroir d'origine et en introduisant un nouveau paramètre géométrique η, l'étude a défini un numéro d'enroulement dans l'espace des paramètres kx-η, révélant les caractéristiques topologiques des FBIC et confirmant ces modes en tant que BIC ( Fig. 3 a–b).

Compte tenu de la perte diélectrique inévitable aux fréquences micro-ondes, l'étude a validé expérimentalement les FBIC en mesurant l'atténuation des modes limites (Fig. 3 c – d), démontrant la localisation complète des modes limites dans très peu de sites de réseau (N_y =2, 3, etc.), offrant une nouvelle approche pour atteindre les BIC.

Cette étude révolutionnaire explore de nouveaux phénomènes physiques dans les cristaux photoniques et permet un contrôle précis des modes limites. Ce travail fournit non seulement une nouvelle compréhension théorique de l'effet tunnel et de la délimitation des modes limites dans les cristaux photoniques, mais confirme également la localisation complète des modes limites sur des vecteurs d'onde spécifiques grâce à des expériences micro-ondes, apportant une nouvelle perspective au domaine de la photonique.

La recherche révèle de nouvelles méthodes de manipulation du comportement des photons, ce qui est important pour le développement de dispositifs photoniques hautement intégrés. Il propose également de nouvelles stratégies d’utilisation des cristaux photoniques pour améliorer les interactions lumière-matière, ce qui pourrait conduire à des percées dans le domaine de l’optique non linéaire et des interactions entre la lumière et les matériaux bidimensionnels. Ces résultats pourraient inspirer de futures recherches, comme l'application de ces principes à d'autres systèmes d'ondes comme les cristaux phononiques.