Les humains vivent le monde en trois dimensions, mais une collaboration au Japon a permis de créer des dimensions synthétiques pour mieux comprendre les lois fondamentales de l’Univers et éventuellement les appliquer à des technologies avancées.
Ils ont publié leurs résultats aujourd’hui (28 Janvier 2022) dans Science Advances.
“Le concept de dimensionnalité est devenu ces dernières années un élément central dans divers domaines de la physique et de la technologie contemporaines”, a déclaré l’auteur de l’article, Toshihiko Baba, professeur au département de génie électrique et informatique de l’université nationale de Yokohama. “Si les recherches sur les matériaux et les structures de plus faible dimension ont été fructueuses, les progrès rapides de la topologie ont permis de découvrir une autre abondance de phénomènes potentiellement utiles en fonction de la dimensionnalité du système, allant même au-delà des trois dimensions spatiales disponibles dans le monde qui nous entoure.”
La topologie désigne une extension de la géométrie qui décrit mathématiquement des espaces dont les propriétés sont préservées dans une distorsion continue, comme la torsion d’un ruban de Möbius. Selon Baba, lorsqu’ils sont combinés à la lumière, ces espaces physiques peuvent être dirigés de manière à permettre aux chercheurs de provoquer des phénomènes très complexes.
Dans le monde réel, qu’il s’agisse d’une ligne, d’un carré ou d’un cube, chaque dimension fournit davantage d’informations et requiert davantage de connaissances pour la décrire avec précision. En photonique topologique, les chercheurs peuvent créer des dimensions supplémentaires d’un système, ce qui permet d’obtenir davantage de degrés de liberté et de manipuler de multiples propriétés auparavant inaccessibles.
“Les dimensions synthétiques ont permis d’exploiter des concepts de dimensions supérieures dans des dispositifs de dimensions inférieures avec une complexité réduite, ainsi que de piloter des fonctionnalités de dispositifs critiques telles que l’isolation optique sur puce”, a déclaré Baba.
Un résonateur en anneau fabriqué à l’aide de la photonique au silicium et modulé en interne génère une échelle de fréquence. Crédit : Université nationale de Yokohama
Les chercheurs ont fabriqué une dimension synthétique sur un résonateur en anneau de silicium, en utilisant la même approche que celle utilisée pour construire des semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS), une puce d’ordinateur qui peut stocker de la mémoire. Un résonateur en anneau applique des guides pour contrôler et diviser les ondes lumineuses en fonction de paramètres spécifiques, tels que des largeurs de bande particulières.
Selon Baba, le dispositif photonique à résonateur en anneau de silicium a acquis un spectre optique “en peigne”, résultant en des modes couplés correspondant à un modèle unidimensionnel. En d’autres termes, le dispositif a produit une propriété mesurable – une dimension synthétique – qui a permis aux chercheurs de déduire des informations sur le reste du système.
Bien que le dispositif développé ne comporte qu’un seul anneau, il est possible d’en empiler plusieurs pour obtenir des effets en cascade et caractériser rapidement les signaux de fréquence optique.
Selon Baba, leur plateforme, même avec des anneaux empilés, est beaucoup plus petite et compacte que les approches précédentes, qui utilisaient des fibres optiques connectées à divers composants.
“Une plateforme de puce photonique en silicium plus évolutive représente un progrès considérable, car elle permet à la photonique de dimensions synthétiques de bénéficier de la boîte à outils de fabrication commerciale CMOS mature et sophistiquée, tout en créant les moyens d’introduire des phénomènes topologiques multidimensionnels dans de nouvelles applications de dispositifs “, a déclaré Baba.
La flexibilité du système, y compris la possibilité de le reconfigurer si nécessaire, complète les espaces statiques équivalents dans l’espace réel, ce qui pourrait aider les chercheurs à contourner les contraintes dimensionnelles de l’espace réel pour comprendre des phénomènes même au-delà de trois dimensions, selon Baba.
“Ce travail montre la possibilité que la photonique topologique et de dimension synthétique puisse être utilisée de manière pratique avec une plateforme d’intégration photonique en silicium”, a déclaré Baba. “Ensuite, nous envisageons de rassembler tous les éléments photoniques de dimension topologique et synthétique pour construire un circuit intégré topologique.”
Référence : “Structures de bande de dimension synthétique sur une plateforme photonique Si CMOS” 28 janvier 2022, Science Advances.
DOI : 10.1126/sciadv.abk0468
Les autres contributeurs sont Armandas Balčytis et Jun Maeda, Département d’ingénierie électrique et informatique, Université nationale de Yokohama ; Tomoki Ozawa, Institut avancé de recherche sur les matériaux, Université de Tohoku ; et Yasutomo Ota et Satoshi Iwamoto, Institut de nanoélectronique quantique, Université de Tokyo.Ota est également affilié au département de physique appliquée et de physico-informatique de l’université Keio. Iwamoto est également affilié au Centre de recherche en sciences et technologies avancées et à l’Institut des sciences industrielles de l’Université de Tokyo.
L’Agence japonaise pour la science et la technologie (JPMJCR19T1, JPMJPR19L2), la Société japonaise pour la promotion de la science (JP20H01845) et RIKEN ont soutenu cette recherche.
