Photons figés dans le temps par des conceptions de cristal innovantes

Les chercheurs de l'AMOLF, en collaboration avec l'Université de technologie de Delft, ont réussi à stopper les ondes lumineuses en déformant le cristal photonique bidimensionnel qui les contient. Les chercheurs ont montré que même une déformation subtile peut avoir un effet substantiel sur les photons présents dans le cristal. Cela ressemble à l’effet qu’un champ magnétique a sur les électrons.

« Ce principe propose une nouvelle approche pour ralentir les champs lumineux et ainsi augmenter leur force. Réaliser cela sur une puce est particulièrement important pour de nombreuses applications », déclare Ewold Verhagen, responsable du groupe AMOLF. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue scientifique Photonique naturelle le 23 avril. Simultanément, une équipe de recherche de l’Université d’État de Pennsylvanie a publié un article dans cette revue expliquant comment elle avait démontré – indépendamment de l’équipe néerlandaise – un effet identique.

La manipulation du flux de lumière dans un matériau à petite échelle est bénéfique pour le développement de puces nanophotoniques. Pour les électrons, une telle manipulation peut être réalisée à l’aide de champs magnétiques ; la force de Lorentz dirige le mouvement des électrons. Cependant, cela est impossible pour les photons car ils n’ont pas de charge. Les chercheurs du groupe Forces photoniques de l'AMOLF recherchent des techniques et des matériaux qui leur permettraient d'appliquer aux photons des forces qui s'apparentent aux effets des champs magnétiques.

Électrons

« Nous avons cherché l’inspiration dans la manière dont les électrons se comportent dans les matériaux. Dans un conducteur, les électrons peuvent en principe se déplacer librement, mais un champ magnétique externe peut empêcher cela. Le mouvement circulaire provoqué par le champ magnétique arrête la conduction et les électrons ne peuvent donc exister dans le matériau que s’ils ont des énergies très spécifiques. Ces niveaux d'énergie sont appelés niveaux de Landau et sont caractéristiques des électrons dans un champ magnétique », explique Verhagen.

« Mais, dans le matériau bidimensionnel graphène – qui consiste en une seule couche d’atomes de carbone disposés dans un cristal – ces niveaux de Landau peuvent également être provoqués par un mécanisme différent de celui d’un champ magnétique. En général, le graphène est un bon conducteur électronique, mais cela change lorsque le réseau de cristaux est déformé, par exemple en l'étirant comme des élastiques. Une telle déformation mécanique arrête la conduction ; le matériau se transforme en isolant et par conséquent, les électrons sont liés aux niveaux de Landau. Par conséquent, la déformation du graphène a un effet similaire sur les électrons d’un matériau comme un champ magnétique, même sans aimant. Nous nous sommes demandés si une approche similaire fonctionnerait également pour les photons.

Cristal photonique

En collaboration avec Kobus Kuipers de l'Université de Technologie de Delft, le groupe de Verhagen a en effet démontré un effet similaire pour la lumière dans un cristal photonique. « Un cristal photonique consiste normalement en un motif régulier – bidimensionnel – de trous dans une couche de silicium. La lumière peut se déplacer librement dans ce matériau, tout comme les électrons dans le graphène », explique le premier auteur René Barczyk, qui a soutenu avec succès sa thèse de doctorat sur ce sujet l'année dernière. « Briser cette régularité exactement de la bonne manière déformera le réseau et par conséquent verrouillera les photons. C’est ainsi que nous créons des niveaux de Landau pour les photons.

Aux niveaux de Landau, les ondes lumineuses ne bougent plus ; ils ne coulent pas à travers le cristal mais restent immobiles. Les chercheurs ont réussi à le démontrer, en montrant que la déformation du réseau cristallin a un effet similaire sur les photons comme un champ magnétique sur les électrons.

Verhagen a déclaré : « En jouant avec le modèle de déformation, nous avons même réussi à établir différents types de champs magnétiques efficaces dans un seul matériau. En conséquence, les photons peuvent se déplacer dans certaines parties du matériau mais pas dans d’autres. Par conséquent, ces informations fournissent également de nouvelles façons d’orienter la lumière sur une puce.

Expériences simultanées

Les travaux de Verhagen et de son équipe ont été inspirés par les prédictions théoriques de chercheurs de la Pennsylvania State University et Université de Colombie.

Verhagen se souvient : « Lorsque nous effectuions nos premières mesures, il m'est arrivé de parler à l'un des auteurs de cette autre étude. Lorsqu’il s’est avéré qu’ils cherchaient également des preuves expérimentales de cet effet, nous avons décidé de ne pas rivaliser pour être les premiers à publier, mais plutôt de soumettre simultanément l’œuvre à l’éditeur. Bien que certains détails de l'approche diffèrent, les deux équipes ont réussi à empêcher les ondes lumineuses de se déplacer et à observer les niveaux de Landau en déformant un cristal photonique bidimensionnel.

« Cela rapproche les applications sur puce », explique Verhagen. « Si nous pouvons confiner la lumière au à l'échelle nanométrique et l'arrêter ainsi, sa force sera considérablement renforcée. Et pas seulement à un endroit, mais sur toute la surface du cristal. Une telle concentration de lumière est très importante dans les dispositifs nanophotoniques, par exemple pour le développement de lasers efficaces ou de sources de lumière quantique.