La conception d'un alliage photonique aux propriétés topologiques

Les alliages photoniques, matériaux de type alliage combinant deux ou plusieurs cristaux photoniques, sont des candidats prometteurs pour le développement de structures contrôlant la propagation des ondes électromagnétiques, également appelées guides d'ondes. Malgré leur potentiel, ces matériaux réfléchissent généralement la lumière dans la direction d’où elle provient.

Ce phénomène, appelé rétrodiffusion de la lumière, limite la transmission des données et de l'énergie, ce qui a un impact négatif sur les performances des matériaux en tant que guides d'ondes. Réduire ou empêcher de manière fiable la rétrodiffusion de la lumière dans les alliages photoniques constituera donc une étape clé vers l’utilisation pratique de ces matériaux.

Des chercheurs de l’Université du Shanxi et de l’Université des sciences et technologies de Hong Kong ont récemment fabriqué un nouvel alliage photonique doté de propriétés topologiques permettant la propagation des micro-ondes sans rétrodiffusion de la lumière. Ce matériel, introduit dans Lettres d'examen physiquepourrait ouvrir la voie au développement de nouveaux cristaux photoniques topologiques.

“Notre article introduit un nouveau concept : l'alliage photonique topologique en tant que matériau topologique non périodique”, a déclaré Lei Zhang, co-auteur de l'article, à Phys.org. “Nous y sommes parvenus en combinant des tiges non magnétisées et magnétisées dans une configuration de cristal photonique 2D non périodique. Cela a créé des alliages photoniques qui maintiennent les états de bord chiraux dans le régime micro-ondes.”

L'objectif principal de l'étude récente menée par Zhang et ses collègues était de développer un nouvel alliage photonique présentant un état de bord topologique, en s'inspirant des propriétés physiques uniques des alliages. Les chercheurs ont créé leur matériau en mélangeant au hasard des tiges de grenat d’yttrium et de fer (YIG) et des tiges YIG magnétisées constituées d’alliages substitutionnels ou interstitiels.

“Dans notre configuration expérimentale, un analyseur de réseau vectoriel est utilisé pour établir des connexions entre les antennes source et sonde”, a expliqué Zhang. “L'antenne source est fixée à une position spécifique dans l'échantillon, tandis que la position de l'antenne de la sonde varie pour recueillir des informations précieuses concernant l'intensité et la phase des ondes électromagnétiques. Pour faciliter ce processus, des trous circulaires sont présents dans une plaque métallique à travers laquelle les deux antennes sont insérées.

Zhang et ses collègues ont utilisé un revêtement métallique qui servait de « matériau topologiquement trivial », avec un nombre de Chern égal à zéro. Lorsque cette gaine recouvre un isolant topologique photonique avec un nombre de Chern égal à 1, un état de bord topologique émerge à leur frontière, conformément au principe de correspondance de bord en vrac.

“L'absorbeur de micro-ondes dans cette configuration vise à supprimer la transmission des états limites”, a déclaré Zhang. “En utilisant l'absorbeur, nous évitons la formation d'une boucle fermée dans l'ensemble de l'état limite, ce qui pourrait interférer avec la caractérisation précise des phénomènes non réciproques.”

Les expériences réalisées par cette équipe de chercheurs ont démontré que leur alliage photonique topologique présente même des propriétés topologiques avec une faible concentration de dopage de bâtonnets aimantés sans nécessiter d'ordre. Cette découverte notable pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour la réalisation expérimentale d’états de bord topologiques, car elle suggère que des états de bord chiraux peuvent être produits sans rompre la symétrie d’inversion du temps dans l’ensemble d’un cristal.

“Dans nos prochaines études, nous prévoyons d'explorer les systèmes d'alliages photoniques topologiques à plusieurs composants”, a ajouté Zhang. “Les systèmes multi-composants possèdent un plus grand nombre de degrés de liberté, permettant la manipulation de divers paramètres et conduisant à une gamme plus large d'effets intrigants. En outre, nous prévoyons bientôt d'explorer la possibilité de réaliser des phénomènes similaires dans les fréquences optiques et d'établir la pertinence de ces résultats pour les applications photoniques serait très intrigante.

Zhang et ses collègues espèrent bientôt étendre leurs récentes découvertes au domaine optique. Cela ouvrirait potentiellement de nouvelles opportunités pour la manipulation de la lumière et le développement de dispositifs photoniques innovants.

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