Rendu de l'isolant topologique photonique développé dans l'étude. Crédit : Institut Polytechnique Rensselaer
Les chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute ont développé le premier dispositif de simulation quantique topologique dans le régime d'interaction forte lumière-matière qui fonctionne à température ambiante, révolutionnant les études quantiques et l'efficacité du laser, et rendant la recherche avancée plus accessible.
Des chercheurs de l'Institut polytechnique Rensselaer ont fabriqué un dispositif pas plus large qu'un cheveu humain qui aidera les physiciens à étudier la nature fondamentale de la matière et de la lumière. Leurs conclusions, publiées dans la revue Nature Nanotechnologiepourrait également soutenir le développement de lasers plus efficaces, utilisés dans des domaines allant de la médecine à l’industrie.
Le dispositif est constitué d’un type spécial de matériau appelé isolant topologique photonique. Un isolant topologique photonique peut guider les photons, les particules ondulatoires qui composent la lumière, vers des interfaces spécialement conçues à l'intérieur du matériau tout en empêchant ces particules de se disperser à travers le matériau lui-même.
Simulation quantique et développement laser
En raison de cette propriété, les isolants topologiques peuvent faire en sorte que de nombreux photons agissent de manière cohérente comme un seul. photon. Les appareils peuvent également être utilisés comme « simulateurs quantiques » topologiques, des laboratoires miniatures où les chercheurs peuvent étudier le phénomène quantique, les lois physiques qui régissent la matière à très petite échelle.
« L’isolant topologique photonique que nous avons créé est unique. Cela fonctionne à température ambiante. Il s’agit d’une avancée majeure. Auparavant, on ne pouvait étudier ce régime qu’en utilisant des équipements gros et coûteux qui refroidissent la matière dans le vide. De nombreux laboratoires de recherche n'ont pas accès à ce type d'équipement, notre appareil pourrait donc permettre à davantage de personnes de poursuivre ce type de recherche en physique fondamentale en laboratoire », a déclaré Wei Bao, professeur adjoint au Département de science et d'ingénierie des matériaux du RPI et auteur principal du Nature Nanotechnologie étude.
« Il s’agit également d’une avancée prometteuse dans le développement de lasers nécessitant moins d’énergie pour fonctionner, car le seuil de température ambiante de notre appareil – la quantité d’énergie nécessaire pour le faire fonctionner – est sept fois inférieur à celui des appareils à basse température développés précédemment. « , a ajouté Bao.
Techniques de fabrication et observations
Les chercheurs du RPI ont créé leur nouveau dispositif avec la même technologie utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs pour fabriquer des micropuces, ce qui implique la superposition de différents types de matériaux. atome par atome, molécule par molécule, pour créer une structure souhaitée avec des propriétés spécifiques.
Pour créer leur appareil, les chercheurs ont développé des plaques ultrafines de pérovskite aux halogénures, un cristal composé de césium, de plomb et de chlore, et ont gravé un polymère dessus avec un motif. Ils ont pris en sandwich ces plaques de cristal et ce polymère entre des feuilles de divers matériaux d'oxyde, formant finalement un objet d'environ 2 microns d'épaisseur et 100 microns de longueur et de largeur (le cheveu humain moyen mesure 100 microns de largeur).
Lorsque les chercheurs ont projeté une lumière laser sur l’appareil, un motif triangulaire lumineux est apparu au niveau des interfaces conçues dans le matériau. Ce motif, dicté par la conception de l'appareil, est le résultat des caractéristiques topologiques des lasers.
Conclusion et perspectives d'avenir
« Pouvoir étudier les phénomènes quantiques à température ambiante est une perspective passionnante. Les travaux innovants du professeur Bao montrent comment l'ingénierie des matériaux peut nous aider à répondre à certaines des plus grandes questions scientifiques », a déclaré Shekhar Garde, doyen de la RPI School of Engineering.
L’étude a été principalement financée par des subventions de la National Science Foundation et de l’Office of Naval Research.