Une équipe de chercheurs de l’Université de Varsovie en Pologne, de l’Institut Pascal du CNRS en France, de l’Université de technologie militaire en Pologne et de l’Université britannique de Southampton ont montré qu’il est possible de contrôler les points dits extraordinaires. Pour la première fois, les physiciens ont également observé une extraordinaire annihilation de points à partir de différents points de dégénérescence. Vous pouvez lire sur les inventions qui pourraient contribuer à la création des derniers dispositifs optiques modernes Communication Nature.

L’univers qui nous entoure est composé de particules élémentaires, dont la plupart ont des antiparticules. Lorsqu’une particule et une antiparticule, c’est-à-dire la matière et l’antimatière, se rencontrent, l’annihilation se produit. Depuis longtemps, les physiciens sont capables de produire des quasi-particules et des quasi-antiparticules – excitations de base : charge, vibration, énergie – piégées dans la matière, le plus souvent dans des cristaux ou des liquides.

« Le monde des quasiparticules peut être très compliqué, bien que paradoxalement, les quasiparticules elles-mêmes contribuent à simplifier la description des phénomènes quantiques », explique Jacek Szczytko de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie.

« Sans quasi-particules, il serait difficile de comprendre le fonctionnement des transistors, des diodes électroluminescentes, des supraconducteurs et de certains ordinateurs quantiques. Même des concepts mathématiques abstraits peuvent être des quasi-particules, tant qu’ils peuvent être implémentés dans des systèmes physiques. L’un de ces concepts abstraits est un excellent point. »

Les théoriciens de l’Institut Pascal du CNRS en France, Guillaume Malpuech et Dmitry Solnyshkov expliquent.

« Les soi-disant » points exceptionnels « sont des paramètres système spéciaux qui conduisent à la similitude de deux solutions différentes qui ne peuvent exister que dans des systèmes avec des pertes, c’est-à-dire où les oscillations s’estompent lentement avec le temps », a déclaré Malpuech.

« Ils permettent la création de capteurs efficaces, de lasers monomodes ou de transport unidirectionnel. Surtout, chaque point extraordinaire a une charge topologique non nulle – une certaine caractéristique mathématique qui décrit les propriétés géométriques de base et vous permet de déterminer quel point extraordinaire sera « antiparticules » pour un autre point remarquable », a ajouté Solnyshkov.

Des scientifiques de l’université de Varsovie et de l’université de technologie militaire en collaboration avec des chercheurs du CNRS et de l’université de Southampton ont analysé un résonateur optique rempli de cristaux liquides. Le cristal liquide est une phase spéciale de la matière dans laquelle une certaine direction est distinguée même si elle est liquide.

Ceci peut être étudié, par exemple, par un faisceau lumineux, qui se comporte différemment selon la direction d’incidence par rapport à l’axe optique du cristal liquide. Cette caractéristique, combinée à la facilité de réglage par un champ électrique externe, est à la base du fonctionnement des écrans à cristaux liquides (LCD) courants. La lumière polarisée – c’est-à-dire la direction spécifique de vibration du champ électrique d’une onde électromagnétique – « détecte » parfaitement la direction de l’axe optique, et cela correspond à la direction allongée des molécules de cristal liquide.

« Dans l’étude, une couche de cristaux liquides a été placée entre deux miroirs plans », explique Wiktor Piecek de l’Université militaire de technologie de Varsovie. « L’ensemble de la structure crée une cavité optique, à travers laquelle seule la lumière d’une certaine longueur d’onde peut passer. »

Cette condition est remplie pour ce que l’on appelle les modes de résonance de cavité, c’est-à-dire la lumière avec une certaine couleur (énergie), polarisation et direction de propagation. Cela correspond à une situation où un photon tombant dans une cavité peut rebondir plusieurs fois entre deux miroirs.

La présence de cristaux liquides, dont l’orientation peut être modifiée par application d’une tension, permet d’ajuster l’énergie de mode de la cavité. De plus, les conditions de résonance changent lorsque la lumière est incidente sous un angle, ce qui peut notamment amener différents modes de cavité à se croiser, c’est-à-dire ayant la même énergie même si la polarisation de la lumière est différente.

Pour l’orientation spécifique des cristaux liquides discutés dans l’article, les deux modes de cavité différents ne doivent se croiser que pour un certain quatre angles d’incidence de la lumière lorsque l’on considère la structure idéale sans aucune perte. En effet, la lumière emprisonnée dans la cavité peut s’échapper par des miroirs imparfaits ou dispersés.

Le temps moyen pendant lequel les photons restent dans la microcavité peut être déterminé par des mesures spectroscopiques. De plus, du fait de l’orientation des couches de cristaux liquides, des différences sont observées dans la diffusion de la lumière polarisée le long et perpendiculairement à l’axe des cristaux liquides. De ce fait, à la place de chaque point de dégénérescence pour la cavité sans perte idéalisée, on observe une paire de points dits extraordinaires où l’énergie et la durée de vie des photons dans la cavité sont les mêmes.

Mateusz Krol, qui était le premier auteur de la publication, décrit l’expérience : « Dans le système testé, il a été observé que la position du point extraordinaire peut être contrôlée en modifiant la tension appliquée à la cavité. Tout d’abord, comme la polarisation électrique diminue, le point extraordinaire créé à partir du point différents dégénérés se rapprochent les uns des autres, et pour la basse tension correspondante, les points se chevauchent.Parce que les points qui s’approchent ont des charges topologiques opposées, les points s’annihilent à la rencontre, donc ils disparaissent , ne laissant aucun grand point. »

« Ce type de comportement de singularité topologique, c’est-à-dire une annihilation extraordinaire de points à partir de différents points de dégénérescence, a été observé pour la première fois. Des travaux antérieurs ont montré une annihilation extraordinaire de points, mais ils apparaissent et disparaissent exactement au même point de dégénérescence », ajoute Ismael Septembre. , Ph.D. étudiants au CNRS.

Des points remarquables ont été étudiés de manière intensive dans divers domaines de la physique ces dernières années. « Notre invention permettra la fabrication de dispositifs optiques dont les propriétés topologiques peuvent être contrôlées par la tension », conclut Barbara Pietka de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie.