Les solitons optiques sont des états de lumière non-linéaires et très localisés, dont le nom provient d’une analogie avec les ondes solitaires observées en hydrodynamique. Les chercheurs du C2N, en collaboration avec une équipe du laboratoire Phlam et une équipe de l’Institut de Pascal, ont découvert une nouvelle famille de solitons optiques, stabilisés par une excitation forcée et continue du système, et qui modifient la topologie d’un réseau topologique 1D de cavités non-linéaires en semiconducteurs. De façon remarquable, ces solitons permettent de générer une interface optique (un bord) en plein cœur du réseau.
La topologie est une branche des mathématiques qui classifie les objets, non pas par des symétries locales, mais par des propriétés globales, indépendantes du détail de leur forme, et caractérisées par des nombres entiers appelés invariants topologiques. Ces concepts se sont avérés extraordinaires pour expliquer la nature profonde de certains phénomènes physiques comme l’effet Hall quantique d’un gaz bidimensionnel d’électrons, au sein duquel la conduction électrique se passe au travers de canaux de bord situés à l’interface entre le matériau et le vide. La fabrication de systèmes physiques synthétiques permet d’étendre le champ de la physique topologique, et de s’attaquer à l’un des grands enjeux du domaine : quelle est l’influence des interactions sur ces phases topologiques ? Le domaine de la photonique rend aujourd’hui possible de combiner topologie et optique non-linéaire. C’est ce que viennent de réaliser des chercheurs du C2N en collaboration avec une équipe de l’Institut de Pascal. Ils ont étudié la réponse non-linéaire sous excitation laser forcée d’une chaine unidimensionnelle de résonateurs optiques (voir figure a). Ces chaines sont constituées de cavités en semiconducteurs contenant un matériau actif (un puits quantique) et opérant dans le régime de couplage fort exciton-photon, ce qui permet d’obtenir une non-linéarité optique géante.
En imposant une frustration de phase à l’aide de l’excitation laser quasi-résonante et continue du système, les chercheurs sont parvenus à stabiliser une nouvelle famille de solitons dissipatifs, qui n’ont pas d’équivalent dans les systèmes conservatifs. Ces solitons héritent des propriétés de symétrie du réseau, qui les rendent insensibles à certains types de défauts. De façon remarquable, ces nouveaux solitons ont une localisation spatiale particulière qui leur permettent de « briser » optiquement la chaîne, en retirant de manière effective l’un des sites du réseau (voir figure b). C’est ainsi que les interactions permettent de générer un nouveau bord en plein coeur du réseau, et donc d’induire un nouvel état de bord topologique à un endroit inattendu du point de vue de la physique linéaire.
Ces résultats ouvrent un nouveau champ de recherche visant à manipuler la topologie d’un système ouvert via une excitation forcée, une technique tout à fait prometteuse pour l’étude future des propriétés non-linéaires d’isolants topologiques photoniques à deux dimensions.
Références
Gap solitons in a one-dimensional driven-dissipative topological lattice
N. Pernet, et al.,
Nature Physics (2022)
DOI : https://doi.org/10.1038/s41567-022-01599-8
Topological interface of light
F. K. Kunst, News & views
Nature Physics (2022)
DOI : https://doi.org/10.1038/s41567-022-01582-3
Contacts :
Jacqueline Bloch
Sylvain Ravets
Légende : (a) Image en microscopie électronique à balayage montrant une chaine de cavités en semiconducteurs. La distance entre les cavités est modulée, ce qui donne lieu à deux valeurs différentes du couplage J et J’entre cavités adjacentes (représentés schématiquement par des doubles flèches blanches). C’est cette modulation du couplage qui donne des propriétés topologiques au réseau. Deux cavités du réseau sont excitées par deux lasers d’amplitude F, de pulsation w et présentant une différence de phase Dj (b) Pour Dj =1.13p les chercheurs ont mis en évidence une nouvelle famille de solitons dont le profil d’intensité mesuré est représenté en haut de la figure. L’intensité est très forte sur un site ce qui conduit à le désaccorder fortement par rapport au reste de la chaine. La chaine est alors brisée de façon effective, et un état de bord apparait dans le spectre d’excitation comme représenté en bas de la figure.
