La démonstration expérimentale de la dissipation topologique dans les résonateurs photoniques

Une illustration artistique du concept de dissipation topologique dans un réseau de résonateurs photoniques multiplexés dans le temps. Crédit : Nicolle R. Fuller, Savo Studio

Jusqu’à présent, les physiciens ont principalement étudié les phases topologiques dans les systèmes à couplage conservateur. Ce sont des systèmes avec une dynamique qui ne se dissipe pas et un espace de phase qui ne rétrécit pas avec le temps. Ils contrastent fortement avec les systèmes dissipatifs, qui sont des systèmes thermodynamiquement ouverts (c’est-à-dire fonctionnant hors de l’équilibre thermodynamique) marqués par une dynamique qui peut se dissiper dans le temps.

Des chercheurs du California Institute of Technology, de l’Université de Stanford et d’autres instituts du monde entier ont récemment introduit et démontré expérimentalement des phases topologiques dans un système à couplage dissipatif. Leur article, publié dans Physique naturellepourrait finalement éclairer le développement de nouvelles technologies moins sensibles aux défauts de fabrication.

“Nos phases topologiques couplées de manière dissipative manifestent une topologie non triviale dans les propriétés de dissipation d’un système : un concept fondamentalement nouveau que nous appelons dissipation topologique”, a déclaré Alireza Marandi, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, à Phys.org. “La dissipation topologique présente une nouvelle direction d’étude pour la physique topologique et a le potentiel d’inspirer de nouveaux dispositifs pour l’électronique à l’état solide, la phononique et la photonique qui sont immunisés contre le bruit environnemental et résistants aux imperfections de fabrication.”

En plus de démontrer les phases topologiques dans un système dissipatif, Marandi et ses collègues ont réalisé une plate-forme expérimentale qui pourrait améliorer l’étude de la physique topologique. Plus précisément, ils ont utilisé des réseaux de résonateurs multiplexés dans le temps pour créer une plate-forme flexible à grande échelle pour étudier la photonique topologique.

“Dans notre article, nous présentons certaines des capacités de la plate-forme, par exemple dans la même configuration sans aucune modification matérielle, nous pouvons modifier les conditions aux limites et passer d’un réseau topologique à un réseau trivial au milieu de l’expérience et étudier exotique dynamique », a expliqué Marandi. “Notre plate-forme est facilement évolutive à des dimensions encore plus synthétiques et peut mettre en œuvre des couplages complexes à longue portée, fournissant un modèle simple pour étudier la physique dans des réseaux densément connectés et dans quatre dimensions ou plus.”

La plateforme conçue par Marandi et ses collègues est constituée d’un réseau de résonateurs photoniques, reliés par des connexions « dissipatives ». Cela signifie essentiellement que chacun des chemins reliant les résonateurs peut laisser échapper des photons et les faire quitter le réseau, selon la façon dont la lumière dans la connexion interfère avec la lumière dans les résonateurs (par exemple, de manière constructive ou destructive). Plus techniquement, la dissipation du réseau créé par les chercheurs dépend de son supermode et de la façon dont ce supermode est excité.

La démonstration expérimentale de la dissipation topologique dans les résonateurs photoniques

Christian Leefmans (à gauche) et Alireza Marandi (à droite), debout à côté du montage expérimental. Crédit : A. Marandi.

“Nous avons montré analytiquement que dans un réseau à couplage purement dissipatif, lorsque le réseau représente un treillis, un treillis topologique dans notre cas, les taux de dissipation des modes seraient équivalents aux bandes d’énergie du treillis et nous pourrions observer des comportements topologiques dans ces taux de dissipation », a déclaré Marandi. “Par exemple, dans un cas précis, nous pourrions observer que le facteur de qualité du supermode du réseau serait topologiquement protégé contre les violations sur le réseau.”

La plate-forme créée par Marandi et ses collègues a été fabriquée à l’aide de composants à base de fibres optiques prêts à l’emploi et a été pilotée à l’aide d’un laser à impulsions courtes. Pour programmer la machine optique et l’adapter à un réseau spécifique, les chercheurs ont utilisé un système FPGA, un circuit matériel utilisé pour effectuer des opérations logiques.

Les résultats obtenus par cette équipe de chercheurs pourraient jeter les bases d’autres études théoriques et expérimentations portant sur les phases topologiques dans les systèmes dissipatifs. De plus, la phase topologique à couplage dissipatif mise en évidence par les chercheurs pourrait également être pertinente pour d’autres domaines de la physique, notamment la physique de la matière condensée, la photonique et l’étude des atomes ultrafroids.

“Les phases topologiques couplées de manière dissipative présentent des états topologiques robustes avec des taux de dissipation isolés”, a déclaré Marandi. “Cette propriété fournit également une nouvelle façon de concevoir la dissipation d’un système et pourrait être utile pour concevoir des dispositifs tels que des mémoires quantiques, des capteurs photoniques et des amplificateurs topologiques.”

Dans le futur, les travaux récents de Marandi et de ses collègues pourraient également intéresser des équipes se concentrant sur un domaine de recherche relativement nouveau, à savoir la physique topologique non hermitienne. En fait, les propriétés dissipatives des phases topologiques qu’ils ont dévoilées pourraient être combinées avec le gain et la perte observés dans les systèmes non hermitiens pour réaliser de nouveaux effets topologiques. Ces effets pourraient à leur tour permettre le développement de nouveaux lasers robustes et très puissants.

“Nous prévoyons maintenant d’étudier la physique fondamentale qui est rendue possible par la flexibilité et l’évolutivité de notre machine”, a déclaré Marandi. “Dans cette direction, nous étudions certaines dynamiques topologiques exotiques et non hermitiennes qui étaient hors de portée des plates-formes expérimentales précédentes. L’autre direction de recherche que nous poursuivons est liée aux applications, car nous pensons que la notion de dissipation topologique peut être une ressource supplémentaire pour les systèmes photoniques. Plus précisément, nous exploitons actuellement ces phases topologiques pour créer des lasers à verrouillage de mode et des capteurs photoniques. ”


Photonique topologique dans les réseaux fractals


Plus d’information:
Christian Leefmans et al, Dissipation topologique dans un réseau de résonateurs photoniques multiplexés dans le temps, Physique naturelle (2022). DOI : 10.1038 / s41567-021-01492-w

© 2022 Réseau Science X

Citation: La démonstration expérimentale de la dissipation topologique dans les résonateurs photoniques (21 mars 2022) récupéré le 22 mars 2022 sur https://phys.org/news/2022-03-experimental-topological-dissipation-photonic-resonators.html

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