Une équipe internationale, codirigée par des chercheurs du National Graphene Institute (NGI) de l’Université de Manchester au Royaume-Uni et du Penn State College of Engineering aux États-Unis, a développé une plate-forme accordable à base de graphène qui permet un contrôle précis de l’interaction entre la lumière et la matière dans le spectre térahertz (THz) pour révéler des phénomènes rares appelés points exceptionnels. L’équipe a publié ses résultats aujourd’hui dans Science.
Les travaux pourraient faire progresser les technologies optoélectroniques pour mieux générer, contrôler et détecter la lumière et potentiellement les communications, selon les chercheurs. Ils ont démontré un moyen de contrôler les ondes THz, qui existent à des fréquences comprises entre celles des micro-ondes et des ondes infrarouges. Cet exploit pourrait contribuer au développement de la technologie sans fil « au-delà de la 5G » pour les réseaux de communication à haut débit.
Interactions faibles et fortes
La lumière et la matière peuvent se coupler, interagissant à différents niveaux : faiblement, où elles peuvent être corrélées mais ne changent pas les constituants de l’autre ; ou fortement, où leurs interactions peuvent modifier fondamentalement le système. La capacité de contrôler la façon dont le couplage passe de faible à fort et inversement a été un défi majeur pour faire progresser les dispositifs optoélectroniques – un défi que les chercheurs ont maintenant résolu.
« Nous avons démontré une nouvelle classe de dispositifs optoélectroniques utilisant des concepts de topologie, une branche des mathématiques étudiant les propriétés des objets géométriques », a déclaré l’auteur co-correspondant Coskun Kocabas, professeur de matériaux de dispositifs 2D à l’Université de Manchester. « En utilisant des singularités ponctuelles exceptionnelles, nous montrons que les concepts topologiques peuvent être utilisés pour concevoir des dispositifs optoélectroniques qui permettent de nouvelles façons de manipuler la lumière térahertz. »
Kocabas est également affilié à l’Institut Henry Royce pour les matériaux avancés, dont le siège est à Manchester.
Les points exceptionnels sont des singularités spectrales – des points auxquels deux valeurs spectrales quelconques dans un système ouvert fusionnent. Ils sont, sans surprise, exceptionnellement sensibles et réagissent même aux plus petits changements du système, révélant des caractéristiques curieuses mais souhaitables, selon l’auteur co-correspondant Şahin K. Özdemir, professeur agrégé de sciences de l’ingénieur et de mécanique à Penn State.
« À un moment exceptionnel, le paysage énergétique du système est considérablement modifié, ce qui entraîne une dimensionnalité réduite et une topologie asymétrique », a déclaré Özdemir, qui est également affilié au Materials Research Institute, Penn State. « Ceci, à son tour, améliore la réponse du système aux perturbations, modifie la densité locale des états conduisant à l’amélioration des taux d’émission spontanée et conduit à une pléthore de phénomènes. Le contrôle des points exceptionnels et des processus physiques qui s’y produisent pourrait conduire à des applications pour de meilleurs capteurs, imagerie, lasers et bien plus encore. »
Composition de la plateforme
La plate-forme développée par les chercheurs consiste en un résonateur THz accordable à base de graphène, avec une électrode de grille en feuille d’or formant un miroir réfléchissant inférieur. Au-dessus, une couche de graphène est terminée par des électrodes, formant un miroir supérieur accordable. Une couche d’électrolyte liquide ionique non volatil se trouve entre les miroirs, permettant de contrôler la réflectivité du miroir supérieur en modifiant la tension appliquée. Au milieu de l’appareil, entre les miroirs, se trouvent des molécules d’alpha lactose, un sucre couramment présent dans le lait.
Le système est contrôlé par deux régulateurs. On soulève le miroir inférieur pour modifier la longueur de la cavité, en réglant la fréquence de résonance pour coupler la lumière aux modes vibratoires collectifs des molécules de sucre organique, qui servent de nombre fixe d’oscillateurs pour le système. L’autre ajusteur modifie la tension appliquée au miroir de graphène supérieur, modifiant les propriétés réfléchissantes du graphène pour faire la transition entre les déséquilibres de perte d’énergie et ajuster la force de couplage. Le réglage délicat et fin déplace la lumière térahertz faiblement couplée et les molécules organiques pour devenir fortement couplées et vice versa.
« Les points exceptionnels coïncident avec le point de croisement entre les régimes de couplage faible et fort de la lumière térahertz avec les vibrations moléculaires collectives », a déclaré Özdemir.
Il a noté que ces points de singularité sont généralement étudiés et observés dans le couplage de modes ou de systèmes analogues, tels que deux modes optiques, des modes électroniques ou des modes acoustiques.
« Ce travail est l’un des rares cas où il est démontré que des points exceptionnels émergent dans le couplage de deux modes d’origines physiques différentes », a déclaré Kocabas. « En raison de la topologie des points exceptionnels, nous avons observé une modulation significative de l’amplitude et de la phase de la lumière térahertz, qui pourrait trouver des applications dans les communications THz de nouvelle génération. »
Modulation de phase sans précédent dans le spectre THz
Lorsque les chercheurs appliquent une tension et ajustent la résonance, ils conduisent le système à un point exceptionnel et au-delà. Avant, au niveau et au-delà du point exceptionnel, les propriétés géométriques – la topologie – du système changent.
L’un de ces changements est la modulation de phase, qui décrit comment une onde change lorsqu’elle se propage et interagit dans le champ THz. Contrôler la phase et l’amplitude des ondes THz est un défi technologique, ont déclaré les chercheurs, mais leur plate-forme démontre des niveaux de modulation de phase sans précédent. Les chercheurs ont déplacé le système à travers des points exceptionnels, ainsi que le long de boucles autour de points exceptionnels dans différentes directions, et ont mesuré comment il réagissait aux changements. Selon la topologie du système au point de mesure, la modulation de phase peut aller de zéro à quatre magnitudes plus grandes.
« Nous pouvons diriger électriquement l’appareil à travers un point exceptionnel, ce qui permet un contrôle électrique sur la topologie de réflexion », a déclaré le premier auteur, M. Said Ergoktas. « Ce n’est qu’en contrôlant électroniquement la topologie du système que nous pourrions obtenir ces énormes modulations. »
Selon les chercheurs, le contrôle topologique des interactions lumière-matière autour d’un point exceptionnel permis par la plateforme à base de graphène a des applications potentielles allant des dispositifs topologiques optoélectroniques et quantiques au contrôle topologique des processus physiques et chimiques.
Ingénierie topologique de la lumière térahertz à l’aide de singularités ponctuelles exceptionnelles accordables électriquement, Science (2022). DOI : 10.1126/abn6528