Des chercheurs de l'Institut polytechnique Rensselaer ont fabriqué un dispositif pas plus large qu'un cheveu humain qui aidera les physiciens à étudier la nature fondamentale de la matière et de la lumière. Leurs découvertes, publiées dans la revue Nature Nanotechnology , pourrait également soutenir le développement de lasers plus efficaces, utilisés dans des domaines allant de la médecine à l'industrie.
Le dispositif est constitué d’un type spécial de matériau appelé isolant topologique photonique. Un isolant topologique photonique peut guider les photons, les particules ondulatoires qui composent la lumière, vers des interfaces spécifiquement conçues à l'intérieur du matériau tout en empêchant également ces particules de se disperser à travers le matériau lui-même.
En raison de cette propriété, les isolants topologiques peuvent faire en sorte que de nombreux photons agissent de manière cohérente comme un seul photon. Les appareils peuvent également être utilisés comme « simulateurs quantiques » topologiques, des laboratoires miniatures où les chercheurs peuvent étudier les phénomènes quantiques, les lois physiques qui régissent la matière à très petite échelle.
"L'isolant topologique photonique que nous avons créé est unique. Il fonctionne à température ambiante. Il s'agit d'une avancée majeure. Auparavant, on ne pouvait étudier ce régime qu'en utilisant un équipement volumineux et coûteux qui refroidit la matière sous vide. De nombreux laboratoires de recherche n'y ont pas accès. à ce type d'équipement, notre appareil pourrait donc permettre à davantage de personnes de poursuivre ce type de recherche en physique fondamentale en laboratoire", a déclaré Wei Bao, professeur adjoint au Département de science et d'ingénierie des matériaux du RPI et auteur principal de l'étude.
"Il s'agit également d'une avancée prometteuse dans le développement de lasers nécessitant moins d'énergie pour fonctionner, car le seuil de température ambiante de notre appareil - la quantité d'énergie nécessaire pour le faire fonctionner - est sept fois inférieur à celui des appareils à basse température développés précédemment. " Bao a ajouté.
Les chercheurs du RPI ont créé leur nouveau dispositif avec la même technologie utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs pour fabriquer des micropuces, ce qui implique la superposition de différents types de matériaux, atome par atome, molécule par molécule, pour créer une structure souhaitée avec des propriétés spécifiques.
Pour créer leur appareil, les chercheurs ont développé des plaques ultrafines de pérovskite aux halogénures, un cristal composé de césium, de plomb et de chlore, et ont gravé un polymère dessus avec un motif. Ils ont pris en sandwich ces plaques de cristal et ce polymère entre des feuilles de divers matériaux d'oxyde, formant finalement un objet d'environ 2 microns d'épaisseur et 100 microns de longueur et de largeur (le cheveu humain moyen mesure 100 microns de large).
Lorsque les chercheurs ont projeté une lumière laser sur l’appareil, un motif triangulaire lumineux est apparu au niveau des interfaces conçues dans le matériau. Ce motif, dicté par la conception de l'appareil, est le résultat des caractéristiques topologiques des lasers.
"Être capable d'étudier les phénomènes quantiques à température ambiante est une perspective passionnante. Les travaux innovants du professeur Bao montrent comment l'ingénierie des matériaux peut nous aider à répondre à certaines des plus grandes questions scientifiques", a déclaré Shekhar Garde, doyen de la RPI School of Engineering.
Plus d'informations : Vallée topologique Condensation de polariton de Hall, Nanotechnologie naturelle (2024). DOI :10.1038/s41565-024-01674-6
Informations sur le journal : Nanotechnologie naturelle
Fourni par l'Institut polytechnique Rensselaer
