À l’Université de Rostock, des chercheurs ont combiné la symétrie PT avec la topologie dans les puces photoniques, remettant en question les idées reçues sur les systèmes ouverts et les isolants topologiques et ouvrant la voie à des applications technologiques innovantes. Crédit : Issues.fr.com
Des recherches révolutionnaires fusionnent la symétrie PT et la topologie, offrant de nouvelles perspectives sur les systèmes ouverts et le potentiel des circuits technologiques avancés.
Qu’il s’agisse de décrire les orbites des planètes ou le fonctionnement interne de atome, un paradigme clé en physique est la conservation de l’énergie : même si différentes formes d’énergie peuvent être converties les unes dans les autres, la quantité totale d’énergie est généralement supposée constante dans le temps. C’est pourquoi les physiciens ont généralement tendance à s’assurer que le système qu’ils tentent de décrire n’interagit pas avec son environnement.
Mais il s’avère que la dynamique d’un système peut également être stable si les gains et les pertes d’énergie sont répartis de manière systématique de telle sorte qu’ils s’annulent dans toutes les conditions imaginables, ce qui peut être assuré par ce que l’on appelle la parité. symétrie temporelle (PT) : Semblable à une vidéo qui est lue à l’envers et qui se reflète simultanément dans un miroir tout en ressemblant exactement à la vidéo originale – c’est-à-dire qu’elle est symétrique PT – les composants du système sont disposés de telle manière qu’un échange de gain et de perte de lumière grâce à la mise en miroir et à l’inversion du temps simultanées. fait apparaître le système inchangé. Loin d’être une notion purement académique, la symétrie PT a ouvert la voie à une compréhension plus approfondie des systèmes ouverts.
Une équipe de recherche de Rostock, Würzburg et Indiana a montré pour la première fois que la lumière peut se propager sans perte dans les systèmes qui interagissent avec leur environnement. Pour leurs expériences, ils ont utilisé des guides d’ondes gravés au laser, comme illustré ici : il s’agit de structures optiques inscrites dans un matériau par un faisceau laser. Ici, le signal lumineux peut se propager de manière robuste, stable et sans pertes. Crédit : Julia Tetzke/Université de Rostock
Innovations avec la symétrie PT
Les phénomènes physiques fascinants associés à la symétrie PT sont la spécialité du professeur Alexander Szameit de l’Université de Rostock. Dans leurs puces photoniques personnalisées, la lumière laser peut imiter le comportement de matériaux naturels et synthétiques, disposés en structures de réseau périodiques, ce qui en fait un banc d’essai idéal pour une grande variété de théories physiques.
Le professeur Szameit et son équipe ont ainsi réussi à combiner la symétrie PT avec le concept de topologie. La topologie étudie les propriétés qui ne changent pas malgré la déformation continue du système sous-jacent. De telles propriétés rendent alors un système particulièrement robuste aux influences extérieures.
Pour leurs expériences, le groupe de recherche de Szameit utilise des guides d’ondes photoniques inscrits au laser – des structures optiques inscrites dans un matériau par un faisceau laser. Dans ces « circuits pour la lumière », des isolants dits topologiques sont réalisés. Szameit explique : « Ces isolants ont attiré beaucoup d’attention ces dernières années en raison de leur capacité fascinante à transmettre un flux d’électrons ou de lumière sans perte le long de leur frontière. Leur capacité unique à supprimer l’impact des défauts et de la diffusion les rend particulièrement intéressants pour toutes sortes d’applications technologiques.
La topologie rencontre les systèmes ouverts : la topologie s’intéresse aux propriétés invariables des systèmes – comme le montre schématiquement la figure jaune ci-dessus à gauche avec la structure en forme de beignet, dont le nombre de trous, à savoir exactement un trou, reste toujours le même. D’un autre côté, la symétrie du temps de parité – illustrée par le mouvement d’un papillon qui semble identique s’il est inversé et mis en miroir – joue un rôle important dans la stabilité des systèmes ouverts. La combinaison de ces deux concepts a longtemps posé problème aux chercheurs, car ils semblaient incompatibles. Cependant, les chercheurs ont maintenant pu montrer que le mouvement d’un signal lumineux (points jaunes et pic à l’extrémité du marqueur rouge) se déplace de manière robuste et stable le long du bord d’un guide d’ondes écrit au laser malgré l’interaction avec son environnement (image du bas). Crédit : Alexander Fritzsche/Université de Rostock
Nouvelles découvertes dans les isolateurs topologiques et les systèmes ouverts
Cependant, jusqu’à présent, on pensait que ces états limites robustes étaient fondamentalement incompatibles avec les systèmes ouverts. Dans leur effort commun, les chercheurs de Rostock, Würzburg et Indianapolis ont pu montrer que l’apparent paradoxe peut être résolu en répartissant dynamiquement les gains et les pertes au fil du temps.
Le premier auteur, le doctorant Alexander Fritzsche, précise : « La lumière qui se propage le long de la limite de notre système ouvert est comme un randonneur traversant un terrain montagneux. Malgré tous les hauts et les bas, ils finiront inévitablement par revenir à l’élévation initiale du point de départ. De même, la lumière se propageant dans le canal de bord protégé de notre isolant topologique symétrique PT ne sera jamais exclusivement amplifiée ou amortie, et pourra donc conserver son amplitude moyenne tout en bénéficiant de toute la robustesse offerte par la topologie.
Ces découvertes constituent une contribution importante à la compréhension fondamentale des isolants topologiques et des systèmes ouverts, et pourraient ouvrir la voie à une nouvelle génération de circuits avancés pour l’électricité, la lumière ou même les ondes sonores.
Cette recherche a été financée par la Fondation allemande pour la recherche (DFG) et soutenue par la Fondation Alfried Krupp von Bohlen und Halbach.
