Les chercheurs de l’Université de Floride centrale font partie d’une équipe qui a révélé, pour la première fois, les subtilités du comportement de la lumière dans les systèmes optiques dynamiques avancés avec des configurations connues sous le nom d’arrangements non hermitiens.
Dans les systèmes non hermitiens, les valeurs d’énergie autorisées créent des surfaces auto-sécantes avec une topologie unique et des points de branchement, appelés points exceptionnels. Les surfaces se croisent en une torsion, désignée par un point exceptionnel.
L’équipe a découvert que la topologie d’une surface d’énergie dans un arrangement non hermitien joue plus un rôle dans le comportement de la lumière dans un système évoluant dans le temps qu’un enroulement strict autour d’un point exceptionnel. Cela inclut des comportements tels que le transfert d’état chiral, dans lequel un état de sortie est verrouillé sur le sens de l’enroulement, dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.
Les résultats, qui ont été publiés récemment dans la revue La naturepourraient stimuler le développement de nouveaux mécanismes de manipulation de la lumière et promettent des implications profondes pour des technologies telles que les lasers miniaturisés et robustes et les capteurs à base de lumière de haute précision.
Les chercheurs ont fait leurs observations en construisant un nouvel émulateur photonique aux multiples facettes qui leur a permis de suivre l’évolution de la lumière laser pulsée dans le système lorsqu’elle variait lentement le long d’un chemin fermé à proximité d’un point exceptionnel.
« La plate-forme d’émulation optique qui a été réalisée peut être utilisée pour modéliser certains des phénomènes physiques les plus déroutants de la nature », explique le co-auteur de l’étude, Mercedeh Khajavikhan, professeur de physique et de génie électrique et informatique à l’Université de Californie du Sud.
Les observations expérimentales remettent en question les démonstrations précédentes, mais soutiennent les prédictions théoriques récentes de Khajavikhan et du co-auteur de l’étude Demetrios Christodoulides, titulaire de la chaire dotée de la famille Cobb et professeur d’optique Pegasus au CREOL de l’Université de Floride centrale, The College of Optics and Photonics.
Leurs prédictions ont montré que la sortie d’un système optique non hermitien – quelle que soit son entrée – est canalisée dans l’un des deux états prédéfinis, en fonction de la direction dans laquelle une trajectoire fermée se déroule dynamiquement au voisinage ou autour d’un point exceptionnel. .
« D’autres études ont examiné uniquement ce qui se passe dans l’entrée et la sortie du système », explique l’auteur principal de l’étude, Hadiseh Nasari, un postdoctorant associé à l’Université de Californie du Sud et au CREOL de l’UCF, The College of Optics and Photonics, où le des travaux ont été exécutés. « Ils n’ont pas pu voir ce qui se passe au cours du processus. »
« Notre émulateur est assez polyvalent en termes de possibilité de surveiller et d’approfondir la dynamique de systèmes non hermitiens proches d’un point exceptionnel », dit-elle.
Christodoulides dit que le travail fondamental est une étape majeure vers l’exploitation du potentiel de ces systèmes.
« En comprenant mieux la physique sous-jacente des systèmes non hermitiens, nous pourrons concevoir les variations de perte et de gain d’énergie nécessaires à la réalisation de technologies optiques intégrées mais efficaces et puissantes », déclare Christodoulides.
Khajavikhan note la compétence technique qui a été nécessaire pour réaliser l’étude et les futures voies de recherche qu’elle ouvre.
« Ce travail stimulant a été dirigé par trois post-doctorantes et étudiantes diplômées – Hadiseh, Gisela Lopez-Galmiche et Helena E. Lopez-Aviles », a déclaré Khajavikhan. « Leur travail ouvre de nouvelles frontières de recherche dans l’utilisation de plates-formes photoniques pour émuler des systèmes complexes. Ils ont essentiellement construit un ordinateur analogique optique très puissant. »
Lopez-Galmiche était chercheuse postdoctorale au CREOL, et Lopez-Aviles est diplômée du programme doctoral du CREOL.
Hadiseh Nasari et al, Observation du transfert d’état chiral sans encercler un point exceptionnel, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04542-2