Arrêter une vague dans son élan

Les idées topologiques ont récemment occupé le devant de la scène de l’électromagnétisme moderne. Les systèmes photoniques topologiques typiques sont basés sur des matériaux non réciproques, une classe de matériaux qui permet des interactions lumière-matière asymétriques. En particulier, les plates-formes non réciproques peuvent prendre en charge des canaux unidirectionnels qui permettent la propagation dans une direction donnée de l’espace, disons de gauche à droite, mais pas l’inverse. De tels guides unidirectionnels sont d’une importance capitale dans les systèmes optiques car leurs conceptions modulaires impliquent des interactions unidirectionnelles qui nécessitent l’isolation optique des différents modules.

Même si les propriétés topologiques d’un matériau sont enracinées dans des concepts mathématiques abstraits, elles peuvent être distillées d’une manière physique simple. Considérez le problème de l’interfaçage d’un certain nombre de matériaux différents non réciproques – disons cinq, par exemple, à un point de jonction, comme des tranches de tarte. Tous les matériaux fonctionnent dans une bande interdite de fréquence où ils ne supportent pas la propagation dans leurs régions de masse. Cependant, chacune des interfaces peut supporter un certain nombre d’états de bord unidirectionnels, qui peuvent se propager soit vers le point de jonction soit en s’en éloignant.

Dire qu’un système est topologique est une façon sophistiquée de dire que, dans la situation décrite des matériaux interfacés en forme de tarte, il est impossible de concevoir une construction où le nombre de canaux de rayonnement entrants diffère du nombre de canaux sortants. En d’autres termes, dans les systèmes topologiques, il existe forcément un équilibre entre le nombre de canaux entrants et le nombre de canaux sortants, analogue à la conservation du courant dans les lois de circuit de Kirchhoff. En effet, si le nombre de voies entrantes et sortantes pouvait être différent, alors il serait possible d’imaginer une excitation qui transférerait en continu de l’énergie d’une source vers le point de jonction. Dans une telle situation, un équilibre thermodynamique ne peut être atteint que si l’énergie arrivant à la jonction est dissipée sous forme de chaleur.

Maintenant, comme indiqué dans Photonique avancée, les chercheurs ont montré qu’un tel scénario artificiel peut en effet être observé dans des systèmes physiques réalistes. Ils explorent le fait que les systèmes non réciproques avec une symétrie de translation continue ont une topologie mal définie. Ils démontrent que, contrairement à la croyance commune, une jonction de matériaux non réciproques n’est pas nécessairement liée par une contrainte d’équilibrage sur le nombre de canaux d’entrée/sortie.

L’équipe a vérifié expérimentalement qu’en appariant deux guides d’ondes, l’un avec une topologie mal définie, et l’autre avec une topologie bien définie, il est possible d’arrêter immédiatement un mode de bord à la jonction entre les guides d’ondes, créant une topologie singularité. L’onde est arrêtée dans son élan à la singularité, qui peut être décrite comme un puits d’énergie où toute l’énergie entrante est concentrée et finalement dissipée en un seul point de l’espace. Ces développements passionnants suggèrent une nouvelle façon d’obtenir des singularités topologiques qui présentent des phénomènes d’ondes extrêmes. Cela peut être utile pour la récupération d’énergie et pour améliorer les effets non linéaires.