Les travaux de chercheurs du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies - C2N (CNRS - Université Paris-Sud), en collaboration avec un chercheur de l’Università di Trento en Italie, ont mené à une percée importante dans le domaine de la physique topologique : la réalisation du premier laser topologique. Il s’agit d’un laser dont le mode résonant est intrinsèquement protégé, grâce aux propriétés topologiques de son architecture, contre les perturbations externes et les défauts de fabrication.
La découverte des phases topologiques de la matière, récompensée par le prix Nobel de physique 2016, a profondément bouleversé le domaine de la physique du solide. La caractéristique la plus emblématique de ces transitions de phases est l’apparition d’états localisés dont les propriétés ne sont pas affectées par la présence de défauts, dislocations ou toute autre forme de désordre. Par exemple, les isolants topologiques, une forme notoire de ces phases exotiques, présentent une conduction électrique le long de leur périmètre parfaitement insensible à la présence d’irrégularités. Récemment, le prolongement de cette physique topologique au domaine de la photonique a permis d’entrevoir la conception de nouvelles générations de dispositifs photoniques (e.g. guides d’onde, isolateurs optiques, diodes, et lasers) dont les performances sont insensibles aux perturbations de leur environnement.
Dans le cas présent, les chercheurs du C2N ont réussi à fabriquer un laser topologiquement robuste en tirant profit de la physique des polaritons en cavité, une quasi-particule mi-photon/mi-matière confinée à l’intérieur de cavités optiques ayant la forme de micro-cylindres (voir l’encadré à droite). En couplant ces micro-cylindres, ils ont formé un réseau unidimensionnel présentant des propriétés topologiques bien précises menant à l’émergence de modes photoniques robustes localisés aux extrémités de ce réseau. Puis, grâce au gain généré par la partie matière des polaritons, ils ont obtenu une stimulation laser dans un de ces modes, réalisant ainsi le premier laser topologique.
Références :
Lasing in topological edge states of a one-dimensional lattice,
P. St-Jean, V. Goblot, E. Galopin, A. Lemaître, T. Ozawa, L. Le Gratiet, I. Sagnes, J. Bloch & A. Amo
Nature Photonics volume 11, pages 651–656 (2017) / DOI : https://doi.org/10.1038/s41566-017-0006-2
Contact :
- Jacqueline Bloch, Directrice de recherche CNRS
Figure : Image par microscopie électronique du réseau de micro-cylindres avec une représentation artificielle de l’émission laser. Un schéma d’un de ces piliers est présenté où un puits quantique (PQ) est inséré entre deux miroirs de Bragg (MB).
