Les skyrmions sont des excitations localisées en forme de particules dans les matériaux qui conservent leur structure en raison de contraintes topologiques (c'est-à-dire des restrictions résultant de propriétés qui restent inchangées sous des déformations lisses). Ces quasiparticules, introduites pour la première fois dans la physique à haute énergie et la théorie du champ quantique, ont depuis suscité un intérêt intense pour la physique et la photonique condensées, en raison de leur potentiel en tant que porteurs robustes pour le stockage et la manipulation de l'information.
Des chercheurs de l'Université Sun Yat-Sen et de l'Université de Tianjin ont récemment signalé la première réalisation expérimentale de Skyrmions quantum à photons (c.-à-d. Les structures lumineuses localisées) dans un système d'électrodynamique quantique de cavité de la cavité semi-conductrice (QED). Leur article, publié dans Physique de la naturepourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour l'étude des interactions lumineuses quantiques, tout en contribuant à l'avancement des dispositifs quantiques photoniques.
« Notre travail a été motivé par le défi de longue date de réaliser des structures photoniques topologiques – en particulier les skyrmions – au niveau quantique », a déclaré à Ying Yu, co-auteur du journal, à Issues.fr.
« Alors que les skyrmions optiques ont été démontrés dans l'optique classique à l'aide de configurations en vrac, les créant avec des photons uniques sur une plate-forme à échelle de puces est resté un problème ouvert. Nous avons visé à combler cet écart en tirant parti de l'électrodynamique quantique de cavité à l'état solide (CQED) avec un couplage spin-en orbite d'ingénierie pour générer des skyrmions à phottes. »
L'objectif principal de cette étude récente de Yu et de ses collègues était de réaliser des skyrmions quantiques en utilisant un système de microcavité à points quantiques à couplage déterministe. De plus, l'équipe a souhaité explorer les propriétés topologiques de ces quasiparticules et évaluer sa robustesse contre les perturbations.
« Nous avons conçu et fabriqué une microcavité gaussienne semi-conductrice-diélectrique avec un couplage photonique spin-orbite fort, qui prend en charge les modes de cavité Skyrmionics », a expliqué Yu.
« Ces modes sont des superpositions soigneusement conçues d'États de Laguerre-Gaussien qui transportent un moment angulaire orbital, qui est essentiel pour former des skyrmions. En intégrant un seul point quantique Inas au centre de cette cavité dans des champs magnétiques, nous avons pu générer sélectivement les émissions de DOT avec des textures circulaires à la cavité spécifique et des photons uniques générés. »
Pour réaliser des skyrmions optiques quantiques, les chercheurs ont donc utilisé une combinaison de diverses technologies et techniques expérimentales. Les plus notables ont été un système de microcavité avec précision, le positionnement minutieux des points quantiques dans ce système et la collecte de mesures à photon unique résolues par la polarisation.
« Nous avons été les premiers à réaliser expérimentalement les skyrmions optiques quantiques – des photons à cadres qui portent des textures de polarisation skyrmioniques – sur une plate-forme nanophotonique intégrée », a déclaré Yu. « Au-delà de la démonstration de leur génération déterministe, nous avons également vérifié leur invariance topologique sous des perturbations optiques. »
Cette étude récente de Yu et de ses collègues pourrait ouvrir de nouvelles possibilités précieuses pour le développement de systèmes photoniques quantiques et d'optique quantique chirale. À l'avenir, les skyrmions quantiques nouvellement réalisés pourraient être exploités pour développer des systèmes d'information quantique, des protocoles de communication quantique à haute dimension et des souvenirs quantiques protégés topologiquement.
Dans le cadre de leurs prochaines études, les chercheurs espèrent réaliser d'autres structures skyrmioniques utilisant des techniques expérimentales similaires. Par exemple, ils aimeraient réaliser des skyrmioniums, des structures topologiques composites avec une topologie accordable qui pourrait s'avérer précieuse pour l'avancement des dispositifs spinstronic et quantiques.
« Nous trouvons également des moyens de générer un enchevêtrement entre la polarisation et les skyrmions sur un seul photon sans champs magnétiques externes », a ajouté Yu.
« De plus, nous visons à intégrer ces appareils dans des circuits photoniques évolutifs, permettant potentiellement de nouvelles architectures pour l'informatique quantique et le traitement de l'information. Nous étudions également l'utilisation de matériaux anisotropes et chiraux pour contrôler et diversifier les caractéristiques topologiques des photons émis. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Gaby Clark, et vérifié et examiné par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
