Circuits topologiques qui forcent les photons à ne jamais rebondir

Topological Isolator as a Multiplexer
Isolateur topologique comme multiplexeur

Isolateur topologique comme multiplexeur. Crédit : Zhe Zhang / EPFL 2021

Des scientifiques de l’EPFL ont développé une méthode basée sur la topologie qui oblige les photons micro-ondes à se déplacer le long d’un chemin, malgré des niveaux de désordre et d’obstacles sans précédent sur leur chemin.

Les isolants topologiques sont des matériaux dont la structure force les photons et les électrons à se déplacer uniquement le long de la frontière du matériau et dans une seule direction. Ces particules subissent très peu de résistance et traversent librement des obstacles tels que des impuretés, des défauts de fabrication, un changement de trajectoire du signal dans un circuit ou des objets placés intentionnellement sur le chemin des particules. En effet, ces particules, au lieu d’être réfléchies par l’obstacle, le contournent « comme l’eau d’une rivière qui coule le long d’un rocher », explique le professeur Romain Fleury, responsable du Laboratoire d’ingénierie ondulatoire de l’EPFL, au sein de la Faculté d’ingénierie.

Jusqu’à présent, la résilience exceptionnelle de ces particules aux obstacles ne s’appliquait qu’à des perturbations limitées dans le matériau, ce qui signifie que cette propriété ne pouvait pas être largement exploitée dans des applications basées sur la photonique. Cependant, cela pourrait bientôt changer grâce aux recherches menées par le Pr Fleury avec son doctorant Zhe Zhang et Pierre Delplace du Laboratoire de physique de l’ENS Lyon. Leur étude, publiée dans la célèbre revue La nature, introduit un isolant topologique dans lequel la transmission de photons micro-ondes peut survivre à des niveaux de désordre sans précédent.

Isolateur topologique avec fonctionnalité reconfigurable

Isolateur topologique avec fonctionnalité reconfigurable. Crédit:
Zhe Zhang / EPFL 2021

« Nous avons pu créer une phase topologique rare qui peut être caractérisée comme un isolant topologique anormal. Cette phase découle des propriétés mathématiques des groupes unitaires et confère au matériau des propriétés de transmission uniques et inattendues », explique Zhang.

Cette découverte est très prometteuse pour de nouvelles avancées scientifiques et technologiques. « Lorsque les ingénieurs conçoivent des circuits hyperfréquences, ils doivent faire très attention à ce que les ondes ne soient pas réfléchies mais plutôt guidées le long d’un chemin donné et à travers une série de composants. C’est la première chose que j’enseigne à mes étudiants en génie électrique », explique le professeur Fleury. « Cette contrainte intrinsèque, connue sous le nom d’adaptation d’impédance, limite notre capacité à manipuler les signaux d’onde. Cependant, avec notre découverte, nous pouvons adopter une approche complètement différente, en utilisant la topologie pour construire des circuits et des dispositifs sans avoir à nous soucier de l’adaptation d’impédance – un facteur qui restreint actuellement la portée de la technologie moderne.

Le laboratoire du Pr Fleury travaille actuellement sur des applications concrètes pour leur nouvel isolant topologique. « Ces types de circuits topologiques pourraient être extrêmement utiles pour développer des systèmes de communication de nouvelle génération », dit-il. « De tels systèmes nécessitent des circuits hautement fiables et facilement reconfigurables. » Son groupe de recherche examine également comment la découverte pourrait être utilisée pour développer de nouveaux types de processeurs photoniques et d’ordinateurs quantiques.

Référence : « Superior robustness of anomalous non-reciprocal topological edge states » 13 octobre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03868-7

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