Le vide est souvent considéré comme vide, mais en fait, il regorge de fluctuations d'énergie éphémères – des photons virtuels surgissant et hors de l'existence qui peuvent interagir avec la matière, donnant naissance à de nouvelles propriétés potentiellement utiles.
Les chercheurs utilisent des cavités optiques, des structures faites de miroirs face à l'autre, pour limiter ces fluctuations, exploitant leurs effets pour concevoir de nouvelles formes de matière.
Les cavités optiques conventionnelles renforcent les fluctuations ou les champs d'aspiration, à la fois pour la lumière à droite et à gauche à gauche polarisée. Les chercheurs et collaborateurs de l'Université de Rice ont développé une nouvelle conception de cavité qui améliore sélectivement les fluctuations de vide quantique de la lumière polarisée circulaire dans une seule direction, atteignant la chiralité – un exploit qui nécessite généralement l'utilisation d'un champ magnétique fort.
Selon une étude publiée dans Communications de la natureune équipe de recherche dirigée par Junichiro Kono a utilisé un antimonide indium légèrement dopé pour construire la cavité chirale. Les chercheurs ont également mené des recherches théoriques complètes pour prédire comment la nouvelle conception de la cavité transformerait les propriétés des matériaux placés à l'intérieur.
Ils ont constaté que le graphène – une couche forte et légère à atomes uniques d'atomes de carbone disposée dans un motif de réseau hexagonal – serait transformé en un isolant spécial utile dans les applications de calcul quantique.
La nouvelle conception de la cavité chirale ouvre la porte à contrôler les propriétés des matériaux sans avoir besoin de champs magnétiques élevés ou d'autres stimuli externes.
« Contrairement aux approches traditionnelles qui reposent sur un magnétisme fort ou d'autres conditions extrêmes pour induire des transformations de matériaux, notre modèle propose de transformer un matériau simplement en le plaçant à l'intérieur d'une cavité », a déclaré Kono, le professeur d'ingénierie électrique et informatique de Karl F. Hasselmann, le professeur d'ingénierie électrique et informatique et les nanoengineering et le directeur de l'Institut Smalley-Curl.
« Notre cavité chirale offre une plate-forme pour exploiter les effets quantiques subtils mais puissants du vide pour concevoir de nouvelles propriétés de matériaux, ouvrant potentiellement la voie à de nouveaux dispositifs et technologies quantiques. »
Construire une cavité chirale supérieure avec une faible exigence de champ magnétique
Dans des tentatives antérieures pour réaliser ce type spécifique de cavité optique, la réalisation de la chiralité nécessitait un champ magnétique fort. Cependant, ces champs magnétiques élevés affectent également les matériaux placés à l'intérieur de la cavité, provoquant souvent des effets indésirables.
« Notre objectif a été de réduire le champ magnétique requis ou de l'éliminer idéalement entièrement », a déclaré Fuyang Tay, ancien élève du programme d'études supérieures de Rice en physique appliquée et premier auteur de l'étude. « Cela a été un défi notoirement difficile. »
Pour atteindre cet objectif, l'équipe a incorporé l'antimonide indium légèrement dopé – un semi-conducteur commun utilisé dans les détecteurs infrarouges – dans une cavité de cristal photonique connu pour faciliter de fortes interactions de la matière légère de longue durée.
« Le choix d'utiliser l'antimonide d'indium légèrement dopé pour construire la cavité a fait toute la différence – il nous a permis de transformer une cavité optique ordinaire en cavité chirale en utilisant un champ magnétique faible », a déclaré Andrey Baydin, professeur de recherche adjoint en génie électrique et informatique chez Rice.
« Étant donné que les porteurs de charge du semi-conducteur sont« légers », notre modèle prédit qu'un petit champ magnétique – un ordre de grandeur inférieur à ceux utilisés dans les tentatives précédentes – sera suffisant pour supprimer les fluctuations de vide dans une direction tout en laissant les autres non touchés. »
Pour optimiser la conception de la cavité, Tay a collaboré avec Alessandro Alabastri, professeur adjoint de génie électrique et informatique chez Rice, et Stephen Sanders, chercheur postdoctoral dans le laboratoire d'Alabastri, pour développer une série de simulations numériques.
« Les simulations nous ont permis d'affiner la conception de la cavité sans avoir besoin de fabriquer des prototypes physiques, ce qui a non seulement accéléré considérablement le processus de développement, mais nous a également aidés à explorer efficacement une gamme plus large de paramètres de conception », a déclaré Alabastri.
En réglant soigneusement les paramètres de chaque couche de cavité, ils ont obtenu une cavité chirale avec un champ d'aspirateur uniforme et polarisé circulaire qui dure assez longtemps pour modifier un matériau cible placé à l'intérieur.
Les modèles classiques et quantiques prédisent un nouvel état de graphène dans la cavité chirale
Pour comprendre comment la cavité chirale affecterait un matériau placé à l'intérieur, les chercheurs ont utilisé une approche multi-échelle complète pontant la physique classique et quantique. Ils ont cartographié les profils de champ électromagnétiques à l'intérieur de la cavité dans un cadre classique.
Ils ont également utilisé la théorie fonctionnelle de la densité pour obtenir les propriétés électroniques du matériau cible et un modèle d'électrodynamique quantique de cavité pour décrire les interactions légères au niveau quantique.
« Cette approche hybride nous a permis de faire des prédictions beaucoup plus réalistes », a déclaré Ceren Dag, professeur adjoint à l'Université de l'Indiana et physicien théorique impliqué dans l'étude.
Le graphène a servi d'étude de cas pour tester comment un matériau réagit lorsqu'il est placé dans la cavité chirale.
« Sur la base de nos calculs, nous avons prédit que la mise en place de graphène dans cette cavité ouvre une bande interdite qui modifie ses propriétés topologiques et la transforme en un type spécial d'isolateur qui sera utile pour construire de nouveaux types de dispositifs quantiques », a déclaré Dag.
Développer des technologies quantiques innovantes
« En plus d'identifier un nouvel état quantique pour le graphène, le cadre que nous avons construit peut être étendu à d'autres matériaux ancrés dans une cavité chirale », a déclaré Vasil Rokaj, professeur adjoint à l'Université de Villanova et co-auteur de l'étude.
Kono a déclaré que la « nouvelle conception de la cavité fournit une plate-forme impartiale, polyvalente et pratique pour que les chercheurs explorent comment les fluctuations de vide chirales peuvent interagir avec la matière et la modifier. Ce travail fondamental ouvre la porte à un nouveau champ de nouveaux matériaux quantiques en ingénierie en remontant le vide. »
