Des chercheurs de l’Université Purdue ont découvert de nouvelles ondes avec des variations spatiales à l’échelle du picomètre des champs électromagnétiques qui peuvent se propager dans les semi-conducteurs comme le silicium. L’équipe de recherche, dirigée par le Dr Zubin Jacob, professeur agrégé Elmore de génie électrique et informatique et du département de physique et d’astronomie, a publié ses conclusions dans Examen physique appliqué dans un article intitulé « Picophotonique : ondes atomiques anormales dans le silicium ».
« Le mot microscopique a ses origines dans l’échelle de longueur d’un micron, qui est un million de fois plus petite qu’un mètre. Notre travail concerne l’interaction lumière-matière dans le régime picoscopique qui est beaucoup plus petit, où l’arrangement discret des réseaux atomiques modifie la lumière. propriétés de façon surprenante », déclare Jacob.
Ces découvertes intrigantes démontrent que les milieux naturels hébergent une variété de phénomènes riches d’interaction lumière-matière au niveau atomistique. L’utilisation d’ondes picophotoniques dans les matériaux semi-conducteurs peut conduire les chercheurs à concevoir de nouveaux dispositifs optiques fonctionnels, permettant des applications dans les technologies quantiques.
L’interaction lumière-matière dans les matériaux est au cœur de plusieurs dispositifs photoniques, des lasers aux détecteurs. Au cours de la dernière décennie, la nanophotonique, l’étude de la façon dont la lumière circule à l’échelle du nanomètre dans des structures artificielles telles que les cristaux photoniques et les métamatériaux, a conduit à des avancées importantes. Cette recherche existante peut être capturée dans le domaine de la théorie classique de la matière atomique. La découverte actuelle menant à la picophotonique a été rendue possible par un bond en avant majeur en utilisant une théorie quantique de la réponse atomistique dans la matière. L’équipe est composée de Jacob ainsi que du Dr Sathwik Bharadwaj, chercheur à l’Université Purdue, et du Dr Todd Van Mechelen, ancien post-doctorant à l’Université Purdue.
L’énigme de longue date dans le domaine était le chaînon manquant entre les réseaux atomiques, leurs symétries et le rôle qu’il joue sur les champs de lumière profondément picoscopiques. Pour répondre à cette énigme, l’équipe de théorie a développé un cadre Maxwell hamiltonien de la matière combiné à une théorie quantique de la réponse induite par la lumière dans les matériaux.
« Il s’agit d’un changement radical par rapport au traitement classique du flux lumineux appliqué en nanophotonique », déclare Jacob. « La nature quantique du comportement de la lumière dans les matériaux est la clé de l’émergence des phénomènes picophotoniques. »
Bharadwaj et ses collègues ont montré que cachées au milieu des ondes électromagnétiques traditionnelles bien connues, de nouvelles ondes anormales émergent dans le réseau atomique. Ces ondes lumineuses sont hautement oscillatoires même au sein d’un élément fondamental du cristal de silicium (échelle de longueur inférieure au nanomètre).
« Les matériaux naturels eux-mêmes ont de riches symétries intrinsèques de réseau cristallin et la lumière est fortement influencée par ces symétries », explique Bharadwaj. « Le prochain objectif immédiat est d’appliquer notre théorie à la pléthore de matériaux quantiques et topologiques et également de vérifier expérimentalement l’existence de ces nouvelles ondes. »
« Notre groupe est à la pointe de la recherche sur les champs électrodynamiques à l’échelle pico à l’intérieur de la matière au niveau atomistique », déclare Jacob. « Nous avons récemment lancé le réseau de théorie de la picoélectrodynamique, où nous réunissons divers chercheurs pour explorer les phénomènes macroscopiques issus des champs microscopiques pico-électrodynamiques à l’intérieur de la matière. »
Plus d’information:
Sathwik Bharadwaj et al, Picophotonique : Ondes atomiques anormales dans le silicium, Examen physique appliqué (2022). DOI : 10.1103/PhysRevApplied.18.044065