Les physiciens créent le premier laser «topologique»
Un nouveau type de laser, dans lequel la lumière serpente autour d'une cavité de n'importe quelle forme sans diffusion, a été développé par des chercheurs physiciens. Ils prétendent que leur "laser toplogique", qui fonctionne aux longueurs d'onde de télécommunication, pourrait permettre une miniaturisation améliorée de la photonique au silicium ou même protéger des informations quantiques de la diffusion.
Les isolants topologiques sont des matériaux qui ne transportent pas de courants électriques dans le volume, mais qui passent par des états de bords. Fondamentalement, ces états voyagent toujours dans une direction, se dirigeant soigneusement autour des coins et des imperfections dans la surface sans dispersion ou fuite.
De tels courants électriques "topologiquement protégés" peuvent être induits dans une mince feuille d'un conducteur quelconque en induisant un champ électrique à travers la feuille et un champ magnétique perpendiculaire à celle-ci. Dans la masse, les électrons voyagent simplement en cercles, mais sur les bords ils sautent en demi-cercle.
Bien que les photons n'aient pas de moment magnétique et ne répondent donc pas directement à un champ magnétique, un effet analogue peut être obtenu en utilisant des électrons excités par la lumière incidente. De tels électrons répondent différemment à un champ magnétique que s'ils n'avaient pas été excités, et influencent à leur tour différemment la lumière.
"L'interaction des photons avec le champ magnétique est médiée par le matériau", explique Boubacar Kanté, physicien appliqué à l'Université de Californie à San Diego. C'est la théorie - et cela fonctionne bien aux basses fréquences.
De la théorie à l'expérience
Cependant, aux longueurs d'onde infrarouges utilisées en photonique au silicium, les matériaux répondent si faiblement aux champs magnétiques que de nombreux chercheurs ont supposé qu'il ne serait pas possible d'ouvrir une bande interdite optique - une région spectrale dans laquelle la masse d'un matériau ne peut transmettre les ondes électromagnétiques .Sans se laisser démonter, Kanté et certains de ses étudiants «ont commencé à faire des calculs pour vraiment vérifier si certaines de ces hypothèses étaient correctes». Ils ont réalisé que, bien qu'il soit possible de bloquer la transmission en masse dans une bande de longueur d'onde minuscule, cet inconvénient serait utile dans un laser, qui est censé avoir une largeur de ligne étroite.
Pour le savoir, les chercheurs ont utilisé deux cristaux photoniques - des nanostructures optiques périodiques - fabriqués à partir de phosphure d'arséniure de gallium et d'indium. Ils ont placé l'un dans l'autre au-dessus d'une couche de grenat de fer magnétique yttrium minéral magnétique. Le cristal photonique interne consistait en une série de cellules unitaires en forme d'étoile disposées dans un treillis carré, alors que les cristaux externes avaient un treillis triangulaire de trous cylindriques. L'interface entre les deux cristaux est la cavité laser, dans laquelle l'amplification laser peut avoir lieu.
Créer un écart de bande
Les différents motifs des deux cristaux photoniques ont donné naissance à un état de bord photonique robuste et unidirectionnel, tout comme les états de bords électroniques dans un isolant topologique. Le champ magnétique a ouvert une largeur de bande optique de seulement 42 picomètres dans les cristaux photoniques massifs, les rendant tous les deux parfaitement réfléchissants à environ 1550 nm - la région de longueur d'onde la plus souvent utilisée pour la transmission par fibre optique.«Si je prends deux miroirs topologiquement distincts», explique Kanté, «alors, parce qu'ils sont des miroirs, la lumière ne peut pénétrer les cristaux, mais, parce qu'ils sont topologiquement distincts, la lumière peut se propager entre eux».
Le phosphure d'arséniure de gallium et d'indium émet spontanément de la lumière lorsqu'il est excité par un laser, cette lumière remplissant l'état de bord existant entre les matériaux topologiquement distincts. Cet état de bord peut ensuite être utilisé pour créer une cavité laser de toute forme à l'épreuve de la diffusion.
Extraire le faisceau
Pour extraire un faisceau, les chercheurs ont retiré une ligne de trous du cristal photonique externe, créant un guide d'onde couplé au champ évanescent de la cavité - un type de perturbation électromagnétique non propagative qui se produit à la suite des ondes dans la cavité. Ils ont trouvé que la lumière émergeait du guide d'ondes avec une forte préférence pour une direction, prouvant que la lumière provenait du mode de bord unidirectionnel.Selon les chercheurs, cette caractéristique pourrait être utile, car un faisceau laser vert réfléchissant dans la cavité peut injecter du bruit et même détruire des cavités de forte puissance. Les dispositifs conçus pour éviter cela sont généralement volumineux et énergivores. «Maintenant, nous avons un appareil qui peut envoyer de la lumière dans une direction préférentielle sans aucun moyen de revenir à la source», explique Kanté.
Les chercheurs suggèrent également que les cavités de n'importe quelle forme pourraient permettre un emballage plus dense des composants optoélectroniques intégrés, et par conséquent des vitesses de traitement plus élevées. Enfin, ils notent que l'utilisation de trajets photoniques sans diffusion pourrait transporter des états quantiques sur de plus longues distances autour de circuits quantiques. Les chercheurs fabriquent maintenant un laser alimenté électriquement parce que, comme le dit Kanté, «vous ne voulez pas transporter un gros laser pour en nourrir un autre».
Assez remarquable
"Je pense que c'est le premier matériau photonique topologique qui n'est pas réciproque à cause du biais magnétique dans l'optique", explique Andrea Alù de l'Université du Texas à Austin. "C'est un résultat assez remarquable et je sais que beaucoup de gens essayaient de le faire." Alù est, cependant, plus sceptique sur certaines des applications potentielles, telles que la miniaturisation des lasers. "Pour définir un cristal photonique, il faut beaucoup de cellules unitaires", explique-t-il. «Typiquement, le premier écart de bande se produit lorsque la distance dans les cellules unitaires est une demi-longueur d'onde - donc 750 nanomètres, et vous avez besoin de beaucoup d'entre eux pour créer cette interface. Il suggère que la possibilité de créer un faisceau laser vert avec un moment angulaire est un aspect potentiellement intéressant qui n'est pas mentionné dans la recherche.pointeur laser pas cher
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