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Un nouveau type de cristal temporel photonique donne un coup de pouce à la lumière

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Les chercheurs ont créé des cristaux temporels photoniques qui fonctionnent à des fréquences micro-ondes, et ils ont montré que les cristaux peuvent amplifier les ondes électromagnétiques.

Des chercheurs ont mis au point un moyen de créer cristaux de temps photonique, montrant que ces matériaux bizarres et artificiels amplifient la lumière qui les éclaire. Ces découvertes pourraient conduire à des communications sans fil plus efficaces et plus robustes et à des lasers considérablement améliorés.

Interface et lumière variant dans le temps, cristal photonique – interprétation artistique. Crédit image : Viktar Asadchy, Université Aalto

Les cristaux temporels ont été conçus pour la première fois par le lauréat du prix Nobel Frank Wilczek en 2012. Alors que les cristaux naturels conventionnels ont un motif structurel qui se répète dans l’espace, dans un cristal temporel, le motif se répète plutôt dans le temps.

Bien que certains physiciens aient d’abord été sceptiques quant à l’existence de cristaux de temps, des expériences récentes ont réussi à les créer. L’année dernière, des chercheurs du Laboratoire à basse température de l’Université d’Aalto créé des cristaux de temps appariés cela pourrait être utile pour les dispositifs quantiques.

Maintenant, une autre équipe a fabriqué des cristaux temporels photoniques, qui sont des analogues temporels des matériaux optiques conventionnels. Les chercheurs ont créé des cristaux temporels photoniques qui fonctionnent à des fréquences micro-ondes et ont montré qu’ils pouvaient amplifier les ondes électromagnétiques.

Cette capacité a des applications potentielles dans diverses technologies, notamment la communication sans fil, les circuits intégrés et les lasers.

Jusqu’à présent, la recherche sur les cristaux temporels photoniques s’est concentrée sur les matériaux massifs, c’est-à-dire les structures tridimensionnelles. Cela s’est avéré extrêmement difficile et les expériences n’ont pas dépassé les systèmes modèles sans applications pratiques.

Maintenant, l’équipe comprenant des chercheurs de l’Université Aalto, de l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) et de l’Université de Stanford a tenté une nouvelle approche : la construction d’un cristal temporel photonique bidimensionnel.

«Nous avons constaté que la réduction de la dimensionnalité d’une structure 3D à une structure 2D facilitait considérablement la mise en œuvre, ce qui permettait de réaliser des cristaux temporels photoniques dans la réalité», déclare Xuchen Wangl’auteur principal de l’étude, qui était doctorant à Aalto et est actuellement au KIT.

La nouvelle approche a permis à l’équipe de fabriquer un cristal temporel photonique et de vérifier expérimentalement les prédictions théoriques sur son comportement. «Nous avons démontré pour la première fois que les cristaux temporels photoniques peuvent amplifier la lumière incidente avec un gain élevé», déclare Wang.

«Dans un cristal temporel photonique, les photons sont disposés selon un motif qui se répète dans le temps. Cela signifie que les photons dans le cristal sont synchronisés et cohérents, ce qui peut entraîner des interférences constructives et une amplification de la lumière», explique Wang.

Les cristaux temporels photoniques bidimensionnels ont une gamme d’applications potentielles. En amplifiant les ondes électromagnétiques, ils pourraient rendre les émetteurs et récepteurs sans fil plus puissants ou plus efficaces.

Wang souligne que le revêtement des surfaces avec des cristaux de temps photonique 2D pourrait également aider à la désintégration du signal, qui est un problème important dans la transmission sans fil. Les cristaux temporels photoniques pourraient également simplifier les conceptions laser en supprimant le besoin de miroirs massifs qui sont généralement utilisés dans les cavités laser.

Une autre application émerge de la découverte que les cristaux temporels photoniques 2D n’amplifient pas seulement les ondes électromagnétiques qui les frappent depuis l’espace environnant, mais aussi les ondes se déplaçant le long des surfaces. Les ondes de surface sont utilisées pour la communication entre les composants électroniques dans les circuits intégrés.

«Lorsqu’une onde de surface se propage, elle subit des pertes matérielles et la force du signal est réduite. Avec des cristaux temporels photoniques 2D intégrés au système, l’onde de surface peut être amplifiée et l’efficacité de la communication améliorée », déclare le professeur Viktar Asadchiqui a généré l’idée des cristaux temporels photoniques 2D.

Source: Université d’Amsterdam

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