Des cristaux photoniques topologiquement distincts (orange et bleu) avec une couche de nitrure de bore hexagonal sur le dessus permettent le couplage de la lumière topologique et des vibrations du réseau pour former des excitations chirales mi-lumière mi-vibration, qui peuvent être guidées directionnellement le long des canaux 1D de manière robuste. Crédit : Filipp Komissarenko et Sriram Guddala
De nouvelles recherches menées par une équipe du City College de New York ont découvert une nouvelle façon de combiner deux états différents de la matière. Pour l’une des premières fois, des photons topologiques – la lumière – ont été combinés avec des vibrations de réseau, également appelées phonons, pour manipuler leur propagation de manière robuste et contrôlable.
L’étude a utilisé la photonique topologique, une direction émergente en photonique qui tire parti des idées fondamentales du domaine mathématique de la topologie sur les quantités conservées – les invariants topologiques – qui restent constantes lors de la modification de parties d’un objet géométrique sous des déformations continues. L’un des exemples les plus simples de tels invariants est le nombre de trous, ce qui, par exemple, rend le beignet et la tasse équivalents du point de vue topologique. Les propriétés topologiques confèrent aux photons une hélicité, lorsque les photons tournent au fur et à mesure qu’ils se propagent, conduisant à des caractéristiques uniques et inattendues, telles que la robustesse aux défauts et la propagation unidirectionnelle le long des interfaces entre des matériaux topologiquement distincts. Grâce aux interactions avec les vibrations dans les cristaux, ces photons hélicoïdaux peuvent ensuite être utilisés pour canaliser la lumière infrarouge ainsi que les vibrations.
Les implications de ce travail sont larges, permettant notamment aux chercheurs de faire progresser la spectroscopie Raman, qui est utilisée pour déterminer les modes vibrationnels des molécules. La recherche est également prometteuse pour la spectroscopie vibrationnelle, également connue sous le nom de spectroscopie infrarouge, qui mesure l’interaction du rayonnement infrarouge avec la matière par absorption, émission ou réflexion. Cela peut ensuite être utilisé pour étudier, identifier et caractériser des substances chimiques.
“Nous avons couplé des photons hélicoïdaux avec des vibrations de réseau dans du nitrure de bore hexagonal, créant une nouvelle matière hybride appelée phonon-polaritons”, a déclaré Alexander Khanikaev, auteur principal et physicien affilié à la Grove School of Engineering du CCNY. « C’est à moitié lumière et à moitié vibrations. Étant donné que la lumière infrarouge et les vibrations du réseau sont associées à la chaleur, nous avons créé de nouveaux canaux pour la propagation simultanée de la lumière et de la chaleur. En règle générale, les vibrations du réseau sont très difficiles à contrôler, et les guider autour des défauts et des angles vifs était impossible auparavant. »
La nouvelle méthodologie peut également mettre en œuvre un transfert de chaleur radiatif directionnel, une forme de transfert d’énergie au cours de laquelle la chaleur est dissipée par des ondes électromagnétiques.
“Nous pouvons créer des canaux de forme arbitraire pour que cette forme d’excitations hybrides de lumière et de matière soit guidée dans un matériau bidimensionnel que nous avons créé”, a ajouté le Dr Sriram Guddala, chercheur postdoctoral dans le groupe du professeur Khanikaev et premier auteur de la manuscrit. « Cette méthode nous permet également de changer le sens de propagation des vibrations le long de ces canaux, vers l’avant ou vers l’arrière, simplement en inversant les polarisations manuelles du faisceau laser incident. Fait intéressant, à mesure que les phonons-polaritons se propagent, les vibrations tournent également avec le champ électrique. Il s’agit d’une façon entièrement nouvelle de guider et de faire tourner les vibrations du réseau, ce qui les rend également hélicoïdales.
Référence : « Topological phonon-polariton funneling in midinfrared metasurfaces » par S. Guddala, F. Komissarenko, S. Kiriushechkina, A. Vakulenko, M. Li, VM Menon, A. Alù et AB Khanikaev, 8 octobre 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abj5488
