Des chercheurs de l’UPV, de l’UPC et de l’ICFO ont découvert des « états de serpent photonique », ce qui constitue une avancée significative dans l’étude de la lumière et de sa manipulation. Cette découverte, publiée dans Nature Photonics, ouvre de nouvelles possibilités dans la formation de peignes de fréquence et ouvre la voie à des applications avancées dans des domaines tels que la communication, la spectroscopie, la métrologie et l’informatique quantique.
Des chercheurs de l’UPV, de l’UPC et de l’ICFO, en Espagne, découvrent les serpents photoniques, un nouvel instrument permettant de dévoiler les secrets de la lumière.
La lumière, avec ses myriades de couleurs, est l’une des merveilles de la nature. Pour bien comprendre ce que nous observons, nous devons connaître les couleurs précises de la lumière qui façonnent notre perception. Pour ce faire, nous utilisons des outils optiques connus sous le nom de peignes de fréquence, qui ont été récompensés pour la première fois par un prix Nobel de physique en 2005.
Ces règles optiques sont utilisées non seulement pour mesurer les couleurs, mais aussi le temps, la distance et d’autres quantités critiques. En tant que telles, elles jouent un rôle crucial dans les applications scientifiques et technologiques, nous permettant d’explorer et de découvrir les profonds mystères de la lumière.
Récemment, une étude menée par l’Universitat Politècnica de València (UPV), à laquelle ont participé des chercheurs de l’Universitat Politècnica de Catalunya – Barcelona Tech (UPC) et de l’Institut des sciences photoniques (ICFO), a permis de réaliser une percée. Les travaux de l’équipe, publiés dans la revue de recherche scientifique Nature Photonics, dévoilent un nouvel outil appelé « Photonic snake states » (états serpents photoniques) pour déchiffrer les secrets de la lumière.
L’étude a captivé la communauté scientifique internationale et a ouvert des possibilités inégalées en matière de formation de peignes de fréquence. Elle postule l’existence de règles optiques bidimensionnelles, plus complexes que les versions unidimensionnelles actuellement utilisées, et offrant une polyvalence exceptionnelle pour diverses applications.
Micro-cylindre photonique dans le régime de génération de serpent photonique. Crédit : UPV
Sommaire
Applications dans le domaine des communications, de la spectroscopie ou de l’informatique
Les peignes de fréquence ont une multitude d’applications, notamment dans le domaine des communications. Les auteurs de l’étude suggèrent que ces peignes permettent la transmission efficace de quantités substantielles d’informations via des fibres optiques. En utilisant des fréquences bien définies, plusieurs signaux lumineux peuvent être envoyés simultanément et facilement séparés lorsqu’ils sont reçus.
Les peignes de fréquence jouent également un rôle essentiel en spectroscopie. Ils permettent d’obtenir des spectres optiques avec une précision et une résolution inégalées, facilitant ainsi l’identification de différentes substances. Ceci est particulièrement utile en chimie, en biologie et en médecine, où la détection précise des molécules et la caractérisation des matériaux sont cruciales.
En métrologie, la science de la mesure, ces structures servent d’étalons de référence en raison de leur capacité à générer des fréquences stables et connues. Elles permettent des mesures exactes de quantités fondamentales telles que le temps et la longueur, qui sont essentielles dans la plupart des domaines scientifiques.
En outre, les peignes de fréquence ont montré un potentiel prometteur dans l’informatique quantique. Ici, les particules de lumière ou les photons sont intégraux. Plus précisément, les peignes de fréquence peuvent générer des photons uniques dotés de propriétés uniques, essentielles pour faire progresser ces technologies.
L’avenir des règles optiques
Cependant, le développement de ces règles optiques se heurte à un problème fondamental : les instabilités qui se produisent lors de leur construction. Ces instabilités empêchent la génération de formes lumineuses polyvalentes.
Comme le souligne le professeur Pedro Fernández de Córdoba, chercheur à l’IUMPA de l’UPV et co-auteur de ce travail, « il faut noter que notre équipe a obtenu, d’un point de vue théorique, les conditions pour que la structure lumineuse soit stable, en trouvant des configurations en forme de zigzag que nous avons appelées Serpents Photoniques. La stabilité de ces états lumineux est un aspect crucial des applications futures ».
L’étude a également démontré la faisabilité de la création d’un arrangement bidimensionnel de règles optiques synchronisées et accessibles individuellement. Cette avancée permet de générer une vaste gamme de règles dans un seul dispositif, contrôlé par une seule source de lumière laser.
En fait, comme le dit le professeur Carles Milián, qui a dirigé cette recherche : « L’impact potentiel de cette avancée est extraordinaire, car elle pourrait permettre le développement de dispositifs multicombes monolithiques reconfigurables à large bande. Ces dispositifs fourniraient différents peignes de fréquence à la demande et en temps réel, ce qui élargirait considérablement les applications existantes ».
En outre, cette étude s’appuie sur des modèles théoriques approfondis et complets. Ceux-ci ont pris en compte tous les effets connus qui pourraient apparaître dans les expériences futures sur la formation de peignes de fréquence bidimensionnels, en utilisant des outils théoriques et numériques robustes.
En fait, comme le souligne le professeur J. Alberto Conejero, directeur du département de mathématiques appliquées de l’UPV et co-auteur de ce travail, « cette recherche a permis de construire un modèle très précis qui inclut tous les phénomènes susceptibles d’influencer la formation de ces structures. Il servira de guide pour les expériences futures, avec l’impact économique que cela implique de connaître à l’avance les paramètres expérimentaux avec lesquels des serpents de lumière stables peuvent être générés ».
Jalon scientifique
Cette découverte marque un tournant dans la physique de ces structures et ouvre la voie à un « avenir passionnant pour les dispositifs optiques avancés ». Salim B. Ivars (Universitat Politècnica de Catalunya), Yaroslav V. Kartashov et Lluís Torner (ICFO) ont également contribué à ces travaux. Selon ce dernier, « cette importante découverte est remarquable parce qu’elle est inattendue et surprenante, et a été possible grâce à l’intuition et au leadership du professeur Milián ».
L’équipe de l’UPV, de l’UPC et de l’ICFO affirme que cette découverte stimulera davantage la recherche dans ce domaine et conduira à de nouvelles applications et technologies révolutionnaires. « Grâce à ces avancées, nous sommes plus près de percer les mystères de la lumière et d’exploiter tout son potentiel au profit de notre société », concluent-ils.
Référence : « Photonic snake states in two-dimensional frequency combs » par Salim B. Ivars, Yaroslav V. Kartashov, P. Fernández de Córdoba, J. Alberto Conejero, Lluis Torner et Carles Milián, 29 mai 2023, Nature Photonics.
DOI: 10.1038/s41566-023-01220-1