La manipulation fiable de la vitesse à laquelle la lumière se déplace à travers des objets pourrait avoir des implications précieuses pour le développement de diverses technologies avancées, y compris des systèmes de communication à grande vitesse et des dispositifs de traitement de l'information quantique. Méthodes conventionnelles pour manipuler la vitesse de la lumière, telles que les techniques tirant parti des effets dits de transparence induite par électromagnétiquement (EIT), en utilisant les effets d'interférence quantique dans un milieu, ce qui peut le rendre transparent à des faisceaux lumineux et ralentir la vitesse de la lumière à travers elle.
Malgré leurs avantages, ces techniques ne permettent que le contrôle réciproque de la vitesse de groupe (c'est-à-dire la vitesse à laquelle l'enveloppe d'un paquet d'onde se déplace à travers un médium), ce qui signifie qu'un faisceau lumineux se comportera la même, quelle que soit la direction dans laquelle il se déplace tout en traversant un appareil. Pourtant, le contrôle non réciproque de la vitesse de la lumière pourrait être tout aussi précieux, en particulier pour le développement de dispositifs avancés qui peuvent bénéficier de permettre aux signaux de voyager dans les directions souhaitées à la vitesse souhaitée.
Des chercheurs de l'Université du Manitoba au Canada et de l'Université de Lanzhou en Chine ont récemment démontré le contrôle non réciproque de la vitesse de la lumière à l'aide d'un dispositif de magnon de cavité, un système qui couple les photons à micro-ondes (c'est-à-dire quanta de lumière micro-ondes) avec des magnons (c'est-à-dire une quantité des oscillations des épines électroniques en matériaux).
Les méthodes basées sur la magnonie qu'ils ont utilisées, décrites dans un article publié dans Lettres d'examen physiquepourrait contribuer à l'avancement des communications du signal micro-ondes, de l'informatique neuromorphe et des circuits quantiques.
« En 2019, mon groupe a démontré une nouvelle méthode pour produire un couplage dissipatif dans les systèmes de magnonics de cavité hybride », a déclaré à Issues.fr, responsable de Hu, responsable du groupe de spintronics dynamiques de l'Université du Manitoba.
« Notre technique, présentée dans un article publié dans Lettres d'examen physiquepermet une transmission de signal non réciproque avec un rapport d'isolement substantiel et une contrôlabilité flexible. «
Dans le cadre de leurs travaux antérieurs, Hu et ses collègues ont spécifiquement tenté de manipuler l'amplitude de la lumière (c'est-à-dire la force maximale du champ électrique ou magnétique d'une onde lumineuse) voyageant dans une seule direction. Pourtant, la lumière possède également une autre caractéristique fondamentale, connue sous le nom de sa phase, qui est essentiellement à quel point une onde légère est par rapport à un emplacement de référence spécifique.
« La manipulation de phase a également de larges implications, car elle détermine la vitesse des impulsions qui transportent des informations sur divers systèmes », a déclaré Hu. « L'objectif principal de cette nouvelle étude était de répondre à la question suivante: la nature nous permettrait de manipuler de manière non réciproque la phase de la lumière tout en maintenant une amplitude de transmission comparable bidirectionnelle.
« Il existe un principe fondamental connu sous le nom de relations Kramers-Kronig qui semble l'interdire, mais étonnamment, notre expérience montre que la nature est extraordinairement généreuse avec nous ici. »
Un objectif clé des tentatives visant à ralentir la vitesse de la lumière est de modifier considérablement la vitesse des impulsions de lumière sans compromettre leur efficacité de transmission. Ceci est généralement réalisé via des effets d'interférence dans les systèmes de résonance hybridés, connus comme un analogue classique des effets EIT dans les régimes quantiques.
« Dans notre travail, nous construisons un tel système hybridé en utilisant le mode photon d'un résonateur diélectrique et le mode magnon d'une sphère magnétique de grenat de fer (Yig) », a expliqué Jiguang Yao, Ph.D. Étudiant et premier auteur du journal.
« Au-delà des résonateurs conventionnels, les matériaux magnétiques possèdent une chiralité intrinsèque – sa rotation précède dans une direction fixe déterminée par le champ magnétique appliqué. Cette chiralité peut être exploitée pour induire une non-réciprocité, activée par un couplage dissipatif supplémentaire introduit via une microstrip commun.
Pour démontrer le potentiel de leur approche proposée, les chercheurs ont envoyé une impulsion micro-ondes dans le système de magnon de cavité couplée qu'ils ont développé à partir de deux directions. Lorsqu'ils ont comparé la vitesse de cette impulsion avec un chemin de référence, ils ont constaté que leur méthode permettait des effets de retard et d'avance de frappe, —- non régalement.
« Les impulsions légères et micro-ondes servent de porteurs d'informations dans divers domaines, allant des communications du signal à l'informatique neuromorphique et au traitement du signal quantique », a déclaré Jerry Lu, Ph.D. junior. Étudiant et co-auteur du journal.
« Les efforts antérieurs dans le contrôle non réciproque des ondes électromagnétiques se sont principalement concentrés sur la manipulation d'amplitude directionnelle – alléguant la transmission dans une seule direction. Ce concept sous-tend les composants essentiels dans les systèmes de communication, tels que les isolateurs et les circulateurs. Notre étude a révélé pour la première fois que la lumière peut se propager dans les deux directions mais à différentes vitesses. »
La nouvelle méthode prometteuse de l'équipe pour le contrôle non réciproque de la vitesse de la lumière pourrait bientôt permettre le développement de diverses technologies de pointe et auparavant inimaginables. Pendant ce temps, Hu et son groupe de recherche s'efforcent d'améliorer encore leur méthodologie, dans l'espoir d'améliorer le retard et les effets avancés qu'elle produit.
« Bien que l'effet démontré dans notre travail soit excitant, le délai / avance réalisé jusqu'à présent reste relativement modeste », a ajouté HU.
« L'amélioration de cet effet est essentielle pour permettre des applications pratiques. Dans une première étape, nous prévoyons d'introduire quelques nouvelles techniques à notre appareil pour améliorer l'effet. À plus long terme, nous avons l'intention d'explorer un plus large éventail de scénarios d'application. »
