Les scientifiques ont manipulé la lumière pour qu’elle se comporte comme si elle était influencée par la gravité à l’aide de cristaux photoniques déformés, ouvrant ainsi la voie aux progrès de l’optique et de la communication 6G.
Manipuler le comportement de la lumière avec la pseudogravité
Un groupe de chercheurs a manipulé le comportement de la lumière comme si elle était sous l’influence de la gravité. Les résultats, publiés dans la revue Examen physique A le 28 septembre 2023, auront des implications considérables pour le monde de l’optique et de la science des matériaux, et revêtiront une importance particulière pour le développement des communications 6G.
Une image conceptuelle du cristal photonique déformé et du cristal photonique. Crédit : K. Kitamura et.al.
Théorie d’Einstein et pseudogravité
La théorie de la relativité d’Albert Einstein établit depuis longtemps que la trajectoire des ondes électromagnétiques – y compris la lumière et les ondes électromagnétiques térahertz – peut être déviée par les champs gravitationnels. Les scientifiques ont récemment prédit théoriquement qu’il était possible de reproduire les effets de la gravité – c’est-à-dire la pseudogravité – en déformant les cristaux dans la région d’énergie (ou de fréquence) normalisée la plus basse.
« Nous avons cherché à déterminer si la distorsion du réseau dans les cristaux photoniques pouvait produire des effets de pseudogravité », a déclaré le professeur Kyoko Kitamura de la Graduate School of Engineering de l’Université de Tohoku.
Le montage expérimental et les résultats de simulation de la trajectoire du faisceau dans un DPC. Crédit : ©K. Kitamura et.al.
Le rôle des cristaux photoniques
Les cristaux photoniques possèdent des propriétés uniques qui permettent aux scientifiques de manipuler et de contrôler le comportement de la lumière, servant ainsi de « contrôleurs de trafic » pour la lumière dans les cristaux. Ils sont construits en disposant périodiquement deux ou plusieurs matériaux différents ayant des capacités variables à interagir avec la lumière et à la ralentir selon un motif régulier et répétitif. De plus, des effets de pseudogravité dus à des changements adiabatiques ont été observés dans les cristaux photoniques.
Kitamura et ses collègues ont modifié les cristaux photoniques en introduisant une distorsion de réseau : une déformation progressive de l’espacement régulier des éléments, qui a perturbé le motif en forme de grille des cristaux protoniques. Cela a manipulé la structure de la bande photonique des cristaux, ce qui a donné lieu à une trajectoire de faisceau incurvée dans le milieu, tout comme un rayon lumineux passant par un corps céleste massif tel qu’un trou noir.
Les résultats expérimentaux, avec la différence de transmission entre les ports B et C, montrent clairement la courbure du faisceau dans un DPC. Crédit : K. Kitamura et.al.
Détails de l’expérience et implications
Plus précisément, pour leur expérience, les scientifiques ont utilisé un cristal photonique déformé en silicium avec une constante de réseau primale de 200 micromètres et des ondes térahertz. Des expériences ont démontré avec succès la déviation de ces ondes.
« Tout comme la gravité courbe la trajectoire des objets, nous avons trouvé un moyen de courber la lumière dans certains matériaux », ajoute Kitamura. « Une telle direction de faisceau dans le plan dans la gamme térahertz pourrait être exploitée dans la communication 6G. Sur le plan académique, les résultats montrent que les cristaux photoniques pourraient exploiter les effets gravitationnels, ouvrant ainsi de nouvelles voies dans le domaine de la physique du graviton », a déclaré le professeur agrégé Masayuki Fujita de l’Université d’Osaka.
