Des physiciens de l'Université de Rostock, du Cluster of Excellence ct.qmat, de l'Université Julius-Maximilians de Würzburg et de l'Université d'Indiana d'Indianapolis (IUPUI) ont montré pour la première fois que la lumière peut se propager sans aucune perte dans les systèmes qui interagissent avec leur environnement. . Auparavant, on supposait que de tels systèmes ouverts présenteraient inévitablement une amplification ou un amortissement exponentiel de la lumière et conduiraient ainsi à l'instabilité du système.

Ces nouveaux résultats ont été récemment publiés dans Nature Materials . Les résultats pourraient servir de base au développement futur de nouveaux circuits robustes pour les ondes électriques, lumineuses et sonores.

Qu’il s’agisse de décrire les orbites des planètes ou le fonctionnement interne de l’atome, un paradigme clé en physique est la conservation de l’énergie. Même si différentes formes d’énergie peuvent être converties les unes dans les autres, la quantité totale d’énergie est généralement supposée constante dans le temps. Par conséquent, les physiciens ont généralement tendance à s'assurer que le système qu'ils tentent de décrire n'interagit pas avec son environnement.

Mais il s’avère que la dynamique d’un système peut également être stable si les gains et les pertes d’énergie sont répartis de manière systématique de telle sorte qu’ils s’annulent dans toutes les conditions imaginables, ce que l’on appelle la parité. -symétrie temporelle (PT).

Semblable à une vidéo qui est lue à l'envers et qui se reflète simultanément dans un miroir tout en ressemblant exactement à la vidéo originale (c'est-à-dire qu'elle est symétrique PT), les composants du système sont disposés de telle manière qu'un échange de gain et de perte de la lumière grâce à la mise en miroir simultanée et à l'inversion du temps fait apparaître le système inchangé.

Loin d'être une notion purement académique, la symétrie PT a ouvert la voie à une compréhension plus approfondie des systèmes ouverts.

Les phénomènes physiques fascinants associés à la symétrie PT sont la spécialité du professeur Alexander Szameit et de son équipe de l'Université de Rostock. Dans leurs puces photoniques personnalisées, la lumière laser peut imiter le comportement de matériaux naturels et synthétiques disposés en structures de réseau périodiques, ce qui en fait un banc d'essai idéal pour une grande variété de théories physiques.

Le professeur Szameit et son équipe ont ainsi réussi à combiner la symétrie PT avec le concept de topologie. La topologie étudie les propriétés qui ne changent pas malgré la déformation continue du système sous-jacent. De telles propriétés rendent alors un système particulièrement robuste contre les influences extérieures.

Pour leurs expériences, le groupe de recherche de Szameit utilise des guides d'ondes photoniques inscrits au laser, des structures optiques inscrites dans un matériau par un faisceau laser. Dans ces "circuits pour la lumière", des isolants dits topologiques sont réalisés. Szameit explique :« Ces isolants ont attiré beaucoup d'attention ces dernières années en raison de leur capacité fascinante à transmettre un flux d'électrons ou de lumière sans perte le long de leur frontière. La capacité unique à supprimer l'impact des défauts et de la diffusion les rend particulièrement intéressants pour tous. types d'applications technologiques."

Cependant, jusqu’à présent, on pensait que ces états limites robustes étaient fondamentalement incompatibles avec les systèmes ouverts. Dans leur effort commun, les chercheurs de Rostock, Würzburg et Indianapolis ont pu montrer qu'un paradoxe apparent peut être résolu en répartissant dynamiquement les gains et les pertes au fil du temps.

Premier premier auteur, Ph.D. Alexander Fritzsche, étudiant, explique :"La lumière qui se propage le long de la limite de notre système ouvert est comme un randonneur traversant un terrain montagneux. Malgré tous les hauts et les bas, ils finiront inévitablement par revenir à l'élévation initiale du point de départ.

"De même, la lumière se propageant dans le canal périphérique protégé de notre isolant topologique symétrique PT ne sera jamais exclusivement amplifiée ou amortie, et pourra donc conserver son amplitude moyenne tout en bénéficiant de toute la robustesse offerte par la topologie."

Ces découvertes constituent une contribution importante à la compréhension fondamentale des isolants topologiques et des systèmes ouverts, et pourraient ouvrir la voie à une nouvelle génération de circuits avancés pour l'électricité, la lumière ou même les ondes sonores.

Plus d'informations : Alexander Fritzsche et al, Isolateur topologique photonique à parité et symétrie temporelle, Nature Materials (2024). DOI :10.1038/s41563-023-01773-0

Informations sur le journal : Matériaux naturels

Fourni par l'Université de Rostock