Les chercheurs ont pu contrôler le comportement de différentes fréquences lumineuses traversant une cavité spécialement conçue. L’expérience réussie peut ouvrir la voie à des avancées en matière de fibre optique qui offrent une plus grande facilité en matière de stockage d’énergie, de calcul et de traitement du signal. Crédit : Xuefeng Jiang
L’exploration de l’interaction des faisceaux lumineux dans une arène en forme de stade permet aux scientifiques de mieux comprendre son comportement complexe.
L’exploitation et le contrôle de la lumière jouent un rôle central dans le progrès technologique, ayant un impact sur la récupération d’énergie, le calcul, les communications et la détection biomédicale. Néanmoins, dans des scénarios réels, le comportement complexe de la lumière présente des défis pour un contrôle efficace.
Le physicien Andrea Alù fait un parallèle entre le comportement de la lumière dans des systèmes chaotiques et une partie de billard, où de légères variations dans le lancement de la bille blanche entraînent des trajectoires différentes sur la table.
« Au billard, de minuscules variations dans la façon dont vous lancez la bille blanche entraîneront différents modèles de billes rebondissant autour de la table », a déclaré Alù, professeur Einstein de physique au CUNY Graduate Center, directeur fondateur de l’Initiative Photonique au CUNY. Advanced Science Research Center et professeur distingué à CUNY. « Les rayons lumineux opèrent de la même manière dans une cavité chaotique. Il devient difficile de modéliser pour prédire ce qui va se passer, car vous pourriez exécuter une expérience plusieurs fois avec des paramètres similaires, et vous obtiendrez une réponse différente à chaque fois.
Dans une nouvelle étude publiée dans Physique naturelle, une équipe dirigée par des chercheurs du CUNY Graduate Center décrit une nouvelle plate-forme permettant de contrôler le comportement chaotique de la lumière en adaptant ses modèles de diffusion à l’aide de la lumière elle-même. Le projet a été dirigé par les co-premiers auteurs Xuefeng Jiang, un ancien chercheur postdoctoral du laboratoire d’Alù qui est maintenant professeur adjoint de physique à l’Université Seton Hall, et Shixiong Yin, un étudiant diplômé du laboratoire d’Alù.
Plateformes traditionnelles contre cavités chaotiques
Les plates-formes conventionnelles pour étudier le comportement de la lumière utilisent généralement des cavités résonantes circulaires ou de forme régulière dans lesquelles la lumière rebondit et se disperse selon des schémas plus prévisibles. Dans une cavité circulaire, par exemple, seules des fréquences prévisibles et distinctes (couleurs de la lumière) survivent, et chaque fréquence prise en charge est associée à un modèle ou mode spatial spécifique. Un mode à une seule fréquence suffit pour comprendre la physique en jeu dans une cavité circulaire, mais cette approche ne révèle pas toute la complexité des comportements de la lumière observés sur des plates-formes complexes, a déclaré Jaing.
« Dans une cavité qui supporte des modèles de lumière chaotiques, n’importe quelle fréquence unique injectée dans la cavité peut exciter des milliers de modèles de lumière, ce qui est généralement considéré comme anéantissant les chances de contrôler la réponse optique », a déclaré Jaing. « Nous avons démontré qu’il est possible de contrôler ce comportement chaotique. »
La cavité innovante en forme de stade
Pour relever ce défi, l’équipe a conçu une grande cavité en forme de stade avec un sommet ouvert et deux canaux sur les côtés opposés qui dirigent la lumière dans la cavité. Alors que la lumière entrante se disperse sur les murs et rebondit, une caméra au-dessus enregistre la quantité de lumière s’échappant du stade et ses motifs spatiaux.
L’appareil comporte des boutons sur les côtés pour gérer l’intensité lumineuse aux deux entrées et le délai entre elles. Les canaux opposés font interférer les faisceaux lumineux les uns avec les autres dans la cavité du stade, permettant ainsi le contrôle de la diffusion d’un faisceau par l’autre via un processus connu sous le nom de contrôle cohérent – essentiellement, en utilisant la lumière pour contrôler la lumière, selon Alù. En ajustant l’intensité relative et le retard des faisceaux lumineux entrant dans les deux canaux, les chercheurs ont remarquablement modifié le diagramme de rayonnement de la lumière à l’extérieur de la cavité.
Débloquer le contrôle avec les modes de diffusion sans réflexion (RSM)
Ce contrôle a été rendu possible grâce à un comportement rare de la lumière dans les cavités résonantes, appelé « modes de diffusion sans réflexion » (RSM), qui avait été théoriquement prédit auparavant mais non observé dans les systèmes à cavité optique. Selon Yin, la capacité de manipuler les RSM démontrée dans ce travail permet une excitation et un contrôle efficaces de systèmes optiques complexes, ce qui a des implications pour le stockage d’énergie, l’informatique et le traitement du signal.
« Nous avons découvert qu’à certaines fréquences, notre système peut prendre en charge deux RSM indépendants qui se chevauchent, ce qui fait que toute la lumière pénètre dans la cavité du stade sans réflexion vers nos ports de canal, permettant ainsi son contrôle », a déclaré Yin. « Notre démonstration concerne les signaux optiques dans la bande passante des fibres optiques que nous utilisons dans notre vie quotidienne. Cette découverte ouvre donc une nouvelle voie pour un meilleur stockage, un meilleur routage et un meilleur contrôle des signaux lumineux dans des plates-formes optiques complexes. »
Les chercheurs visent à intégrer des boutons supplémentaires dans les études futures, offrant ainsi davantage de degrés de liberté pour résoudre davantage de complexités dans le comportement de la lumière.
