(Actualités Nanowerk) Des chercheurs de l'Université de Rostock et du Technion Haïfa ont créé le premier isolant topologique tridimensionnel pour la lumière. Une dislocation de vis judicieusement placée permet aux signaux optiques de s’enrouler autour de la surface d’un réseau synthétique tout en le protégeant de la diffusion. Leur découverte a récemment été publiée dans la revue Nature ("Isolateur topologique photonique induit par une dislocation en trois dimensions"). Premier isolant topologique 3D pour la lumière : une dislocation de type vis permet un transport de lumière topologiquement protégé en trois dimensions. (Image : Julius Beck, Université de Rostock) Les cristaux fascinent les humains depuis des milliers d’années par leur beauté visuelle et leurs formes symétriques élégantes et, plus récemment, par leurs nombreuses applications technologiques. Fondamentalement, ces matériaux reposent sur une disposition très régulière de leurs plus petits éléments constitutifs, et les propriétés physiques des matériaux cristallins dépendent fortement de la pureté de leur réseau sous-jacent. Pourtant, les imperfections ne sont pas nécessairement préjudiciables. Par exemple, une dispersion d'atomes provenant de groupes adjacents dans le tableau périodique est capable de transformer des plaques de silicium cristallin autrement inertes en de puissants processeurs électroniques effectuant régulièrement des milliards d'opérations par seconde, ainsi qu'en cellules solaires très efficaces capables de récolter la lumière du soleil pour alimenter. eux. Il s’avère que le concept de systèmes discrets ne se limite pas aux solides, puisque le même cadre mathématique sous-jacent décrit également l’évolution de la lumière dans les réseaux de guides d’ondes. Ces « fils pour la lumière » ont fasciné le Pr. Alexander Szameit de l'Université de Rostock depuis longtemps. « Chaque enfant sait que la lumière se déplace en lignes droites. Au mieux, il peut être réfléchi par un miroir ou dévié d'un certain angle lorsqu'il pénètre dans un bloc de verre ou traverse une lentille », le chef du groupe d'optique à semi-conducteurs décrit l'expérience quotidienne avec l'optique. "Cela ne cesse de m'étonner que la lumière puisse réellement être fixée sur des trajectoires spécifiques et créer un tunnel entre elles, comme les électrons dans un cristal", continue-t-il en décrivant les bases des recherches de son groupe. Dans cette optique, les réseaux de guides d’ondes peuvent refléter de nombreuses facettes de la physique du solide et même donner lieu à des effets entièrement nouveaux et à des structures fonctionnelles inédites. Pour leur dernière avancée, les physiciens de Rostock se sont associés à des collègues du Technion Haïfa (Israël) et de l'Université du Zhejiang (Chine) pour construire un matériau optique artificiel jusqu'alors insaisissable : un isolant topologique (TI) tridimensionnel pour la lumière. "Les isolants topologiques constituent une nouvelle phase de la matière et ne sont connus que depuis quelques décennies", explique l'auteur. Lukas Maczewsky esquisse le contexte de cette œuvre. "Leurs homologues photoniques peuvent guider la lumière autour des défauts et des angles vifs et la protéger de la dispersion au cours du processus." Pourtant, la lumière se déplace à des vitesses incroyables, et les plateformes photoniques conventionnelles doivent généralement sacrifier au moins une des trois dimensions spatiales pour contrôler le comportement de la lumière dans les autres. Par conséquent, les expériences précédentes sur les TI photoniques étaient limitées à des arrangements unidimensionnels et planaires. La solution élégante proposée par l’équipe de chercheurs pour surmonter ces limitations combine le concept de dimensions synthétiques avec un type spécifique de défaut – ce qu’on appelle la « dislocation de vis ». Ce défaut judicieusement placé relie en continu les plans individuels du treillis en les tordant autour d'un axe central semblable à un tire-bouchon. Co-auteur et doctorat. L'étudiant Julius Beck explique : « Comme pour transformer une pile d'anneaux en une spirale parfaitement connectée, ce défaut intentionnel nous a permis de créer le premier isolant topologique 3D pour la lumière. » Menée dans le cadre du centre de recherche collaboratif « LiMatI » récemment créé par l’Université de Rostock, cette collaboration internationale fructueuse a considérablement fait progresser la recherche fondamentale sur la photonique topologique.