Par le Centre d’excellence ARC pour les systèmes méta-optiques transformateurs
19 juillet 2023
Des physiciens ont mis au point une méthode pour créer un spin électromagnétique sur des métasurfaces, afin de répondre aux besoins de stockage et de transfert de données d’un monde de plus en plus numérique. Cette innovation pourrait déboucher sur de futurs systèmes de données utilisant le spin des photons binaires pour un encodage et une manipulation efficaces de l’information.
Le concept d’un réfrigérateur qui s’occupe automatiquement de vos courses et vous avertit de la péremption des aliments peut sembler un aperçu exaltant d’un avenir pas si lointain. Cependant, l’aspect moins glorieux de l’internet des objets (IdO) réside dans les énormes volumes de données qu’il générera et qui nécessiteront leur stockage et leur transmission entre différents points. Chaque serveur en nuage, aussi éloigné soit-il, existe physiquement quelque part et les données doivent voyager de cet endroit vers d’autres zones, même à l’intérieur du serveur lui-même. Ce transfert de données peut potentiellement devenir un obstacle majeur à l’efficacité du traitement des données.
De la même manière, l’intelligence artificielle devient de plus en plus une caractéristique quotidienne, mais elle exige également un transfert de données important. Des technologies telles que la blockchain, l’augmentation de la consommation de médias et la réalité virtuelle viendront s’ajouter à la vague croissante de messages d’erreur et de notifications nous incitant à augmenter notre capacité de stockage et notre bande passante de communication de données.
La spintronique est un domaine qui explore les propriétés de spin des électrons et qui a le potentiel de révolutionner le stockage et le transfert de données en offrant de nouveaux types de dispositifs de mémoire qui peuvent stocker des données plus efficacement. De même, la photonique peut offrir une plus grande capacité que les technologies traditionnelles pour encoder des informations sur les photons de lumière en utilisant leur polarisation, un peu comme le spin pour les électrons, mais seulement si vous pouvez le contrôler.
Dans une recherche publiée dans Nature Nanotechnology, des physiciens du TMOS, le Centre d’excellence ARC pour les systèmes méta-optiques transformateurs, y compris des chercheurs associés de la City University of New York, de l’Australian National University et de l’Airforce Research Laboratory, ont mis au point une nouvelle méthode pour concevoir des métasurfaces. Cette méthode permet de créer un spin électromagnétique en générant un nouveau type de mode photonique dans un guide d’ondes innovant de type Dirac. Ces travaux font progresser les recherches antérieures sur le transfert d’informations à faible perte qui utilisent la transmission de signaux le long d’interfaces topologiques.
Traditionnellement, les guides d’ondes topologiques sont construits avec des bords abrupts entre leurs différentes interfaces. Ces bords créent des modes limites, c’est-à-dire des ondes électromagnétiques qui se comportent différemment selon qu’il s’agit d’un bord ou de l’ensemble du matériau. Ces modes limites peuvent être utilisés de manière productive à bien des égards, mais ils n’ont qu’une seule direction de spin et ne permettent pas de contrôler le rayonnement.
Alexander B. Khanikaev et son équipe ont adopté une nouvelle approche des interfaces de métasurface. Au lieu d’un bord dur, ils ont adouci les limites en modelant un déplacement progressif dans la dalle de métasurface. Au lieu de formes discrètes accolées les unes aux autres, ils ont apporté de petites variations à la conception, dans ce cas, un motif de trous formant des hexagones répétitifs, de sorte que les formes se rejoignent progressivement. Cela a généré de nouveaux modes d’ondes électromagnétiques jamais vus auparavant dans une métasurface, avec des propriétés radiatives très intéressantes. À une même fréquence, deux modes de spin différents peuvent coexister, l’un rayonnant plus que l’autre. En frappant la métasurface avec un laser à polarisation circulaire, Kiriushechkina et al. ont pu capter le spin d’un mode spécifique. Cela a été prouvé en laboratoire par le fait que chaque mode se propageait à des longueurs différentes lorsqu’il était excité.
Cette méthode pourrait bientôt permettre de contrôler indépendamment le spin des deux modes. Cela créerait un degré de liberté binaire, ce qui ouvrirait des perspectives importantes pour le domaine de la photonique de spin et le développement éventuel de systèmes de stockage de données utilisant le spin des photons binaires pour coder et manipuler l’information.
Le Dr Daria Smirnova, coauteur du premier article, déclare : « L’expérience de validation du concept a permis de valider de manière concluante nos résultats théoriques et notre modélisation. Curieusement, l’effet peut être expliqué en fusionnant le formalisme de Dirac avec l’électrodynamique pratique pour décrire la nature radiative des modes conçus ».
Khanikaev déclare : « La possibilité de concevoir une structure binaire de la lumière en forme de spin sur une puce et la possibilité de la manipuler à la demande ouvrent des perspectives vraiment passionnantes pour y encoder des informations, en particulier des informations quantiques. Notre équipe, en collaboration avec nos collègues de TMOS et de l’AFRL, travaille actuellement sur la création d’interconnexions quantiques basées sur un tel spin photonique, mais aussi sur des opérations élémentaires de logique quantique sur une puce photonique en silicium. Ainsi, nous pensons qu’à long terme, les systèmes photoniques Dirac intégrés peuvent devenir une plateforme viable pour la photonique quantique intégrée ».
Dragomir Neshev, directeur du centre TMOS, déclare : « Ce travail d’équipe interinstitutionnel a fait progresser de manière significative le domaine de la méta-optique. Il s’agit d’une réalisation extraordinaire qui illustre parfaitement la raison d’être des centres d’excellence. Ils facilitent le partage des connaissances et de l’expertise d’une manière qui est souvent limitée par les propres réseaux d’un chercheur. Je suis impatient de voir ce que ces collaborateurs vont faire à l’avenir ».
Référence : « Spin-dependent properties of optical modes guided by adiabatic trapping potentials in photonic Dirac metasurfaces » par Svetlana Kiriushechkina, Anton Vakulenko, Daria Smirnova, Sriram Guddala, Yuma Kawaguchi, Filipp Komissarenko, Monica Allen, Jeffery Allen et Alexander B. Khanikaev, 27 avril 2023, Nature Nanotechnology.
DOI: 10.1038/s41565-023-01380-9