Les chercheurs ont proposé divers cadres théoriques pour étudier et mettre en œuvre les SD, visant à exploiter des phénomènes tels que les champs de jauge synthétiques, la physique quantique de Hall, les solitons discrets et les transitions de phase topologiques en quatre dimensions ou plus. Ces propositions pourraient conduire à de nouvelles compréhensions fondamentales de la physique.

L’un des principaux défis de l’espace 3D conventionnel est la réalisation expérimentale de structures de treillis complexes avec des couplages spécifiques. Les SD offrent une solution en fournissant une plate-forme plus accessible pour créer des réseaux complexes de résonateurs avec des couplages anisotropes, à longue portée ou dissipatifs. Cette capacité a déjà conduit à des démonstrations révolutionnaires d'enroulement topologique non hermitien, de symétrie en temps de parité et d'autres phénomènes.

Une variété de paramètres ou de degrés de liberté au sein d'un système, tels que les modes de fréquence, les modes spatiaux et les moments angulaires orbitaux, peuvent être utilisés pour construire des SD, prometteurs pour des applications dans divers domaines allant des communications optiques aux lasers à isolant topologique.

Un objectif clé dans ce domaine est la construction d'un réseau « utopique » de résonateurs dans lequel n'importe quelle paire de modes peut être couplée de manière contrôlée. Atteindre cet objectif nécessite une manipulation précise des modes au sein des systèmes photoniques, offrant des possibilités d'amélioration de la transmission des données, de l'efficacité de la récupération d'énergie et du rayonnement du réseau laser.

Maintenant, comme indiqué dans Advanced Photonics , une équipe internationale de chercheurs a créé des réseaux personnalisables de guides d'ondes pour établir des dimensions modales synthétiques. Cette avancée permet un contrôle efficace de la lumière dans un système photonique, sans avoir besoin de fonctionnalités supplémentaires compliquées telles que la non-linéarité ou la non-hermiticité.

Le professeur Zhigang Chen de l'Université de Nankai note :« La possibilité d'ajuster différents modes de lumière au sein du système nous rapproche de la réalisation de réseaux « utopiques », où tous les paramètres d'une expérience sont parfaitement contrôlables. »

Dans leurs travaux, les chercheurs modulent les perturbations (« fréquences de tremblement ») pour des propagations qui correspondent aux différences entre les différents modes de lumière. Pour ce faire, ils utilisent des réseaux de neurones artificiels (ANN) pour concevoir des réseaux de guides d’ondes dans l’espace réel. Les ANN sont formés pour créer des configurations de guides d'ondes qui ont exactement les modèles de mode souhaités. Ces tests aident à révéler comment la lumière se propage et se confine dans les réseaux.

Enfin, les chercheurs démontrent l’utilisation des ANN pour concevoir un type spécial de structure de réseau photonique appelé réseau Su-Schrieffer-Heeger (SSH). Ce treillis présente une particularité permettant un contrôle topologique de la lumière dans tout le système. Cela leur permet de modifier le mode global dans lequel la lumière se déplace, mettant ainsi en valeur les propriétés uniques de leurs dimensions synthétiques.

L'implication de ce travail est considérable. En ajustant avec précision les distances et les fréquences des guides d'ondes, les chercheurs visent à optimiser la conception et la fabrication de dispositifs photoniques intégrés.

Le professeur Hrvoje Buljan de l'Université de Zagreb déclare :"Au-delà de la photonique, ces travaux offrent un aperçu de la physique géométriquement inaccessible. Ils sont prometteurs pour des applications allant du mode laser à l'optique quantique et à la transmission de données."

Chen et Buljan notent que l'interaction de la photonique topologique et de la photonique dimensionnelle synthétique rendue possible par les ANN ouvre de nouvelles possibilités de découvertes qui pourraient conduire à des matériaux et à des applications de dispositifs sans précédent.