Photonique : le centre TRR 142 conclut 12 ans de recherche pionnière

35 millions d’euros, 210 scientifiques, 12 ans de recherche : après la durée maximale de trois périodes de financement, le Centre de recherche collaboratif transrégional TRR 142 « Photonique non linéaire sur mesure : des concepts fondamentaux aux structures fonctionnelles » s’achève officiellement en décembre 2025.

Les scientifiques de l’Université de Paderborn et de l’Université technique de Dortmund ont accompli de grandes choses et ont littéralement fait briller une lumière dans l’obscurité grâce à leurs contributions à la recherche. Les experts ont développé des matériaux plus petits que la longueur d’onde de la lumière et ont réussi à manipuler, contrôler et même téléporter avec précision de minuscules particules de lumière appelées photons. Ils ont créé des sources de lumière quantique – des outils vitaux pour l’informatique quantique et la communication ultra-rapide – et de l’électronique à basse température pour contrôler les expériences quantiques. Et ce ne sont là que quelques exemples de leur travail. Par-dessus tout, ils ont apporté une contribution essentielle à la recherche internationale fondamentale sur les systèmes optiques. Cela signifie que les scientifiques ont ouvert la voie à des composants optiques plus efficaces et à de nouvelles technologies sur le long terme.

Effets non linéaires

L’objectif du Centre de recherche collaboratif transrégional (TRR) était de rechercher, développer et construire ce que l’on appelle des systèmes photoniques non linéaires. En termes simples, il s’agit de modifications des ondes lumineuses qui ne se produisent pas dans la nature, c’est-à-dire dans la vie quotidienne. Les phénomènes optiques naturels sont linéaires. Lorsque la lumière et la matière interagissent, les effets linéaires modifient la lumière incidente. Les exemples incluent la réflexion ou la dispersion. Cependant, les longueurs d’onde restent toujours les mêmes. Les lasers fonctionnent différemment : ils permettent la création d’effets non linéaires, tels que le doublement de fréquence, où la longueur d’onde est la moitié de celle de la lumière d’origine. TRR 142 a créé des concepts pour tirer parti des fonctionnalités non linéaires innovantes des domaines de la physique des matériaux et de la photonique quantique et les rendre utilisables pour les futures applications des technologies de l’information et de la communication.

Des fondamentaux à l’application pratique

Les scientifiques se sont appuyés sur des installations technologiques de pointe pour rechercher de nouvelles propriétés physiques et dispositifs basés sur des non-linéarités fortes sur mesure et des effets quantiques réels. « Nous voulions extraire les effets optiques non linéaires et quantiques des études de recherche physique fondamentale et les mettre en pratique », a déclaré le professeur Thomas Zentgraf, membre du département de physique de l’Université de Paderborn et porte-parole du TRR. Pour y parvenir, le projet a combiné les compétences de base de l’Université de Paderborn dans les domaines des matériaux photoniques, de la technologie des semi-conducteurs, de l’optique quantique et de la théorie avec celles de l’Université technique de Dortmund en spectroscopie non linéaire et instrumentation. L’équipe s’est concentrée sur l’adaptation des interactions non linéaires, le contrôle des systèmes quantiques, l’émission et la propagation de la lumière, et les non-linéarités au niveau du photon unique – ce qui s’est ensuite avéré être un travail véritablement pionnier.

Communications à l’épreuve des écoutes grâce à la manipulation

Une application importante de la recherche du TRR est les communications cryptées et à l’épreuve des écoutes, grâce aux découvertes du domaine de la recherche photonique. Les scientifiques ont apporté des modifications ciblées, par exemple, aux propriétés optiques (c’est-à-dire la diffusion et la transmission de la lumière) afin de coder les données transportées. Pour ce faire, ils ont développé des « métasurfaces » : des composants synthétiques qui affectent les ondes lumineuses. Auparavant, ces matériaux n’étaient pas destinés ou suffisamment étudiés pour une utilisation efficace. « Ils consistent en des structures synthétisées avec des propriétés optiques, magnétiques ou électriques qui ne se produisent pas dans la nature. L’avantage de ces structures est qu’elles peuvent réfracter et même modifier les rayons », a expliqué le professeur Zentgraf. « Cela peut être utilisé pour obtenir de nouvelles fréquences qui n’auraient pas été possibles sans manipulation ciblée. »

Travail pionnier en optique intégrée

Cet arrangement de nanostructures sur des surfaces a ensuite permis la création de matériaux synthétiques dont le comportement linéaire et non linéaire pouvait être personnalisé. Leur fonctionnalité dépasse de loin celle des matériaux conventionnels. Cela permet des composants optiques compacts pour la conversion de fréquence ou le contrôle de la propagation de la lumière. La recherche dans le domaine de la photonique quantique s’est concentrée sur les communications quantiques, la technologie des capteurs quantiques et le traitement de l’information quantique. Une base clé pour ces projets a été fournie par un travail technologique pionnier dans le domaine de l’optique intégrée, comme le développement de guides d’ondes efficaces pour la conversion de fréquence. L’utilisation ciblée de ces développements technologiques a permis la mise en œuvre de convertisseurs de fréquence optique intégrés, de sources de lumière quantique et d’interféromètres non linéaires, tous étant des éléments clés cruciaux des technologies quantiques optiques.

Jalons : boîtes quantiques et téléportation quantique

Les technologies quantiques offrent de nombreuses nouvelles façons innovantes de traiter et de transmettre des informations et de réaliser des mesures précises. Alors que la protection des données et informations sensibles est devenue de plus en plus vitale, les réseaux de communication gagnent également en importance. Les boîtes quantiques à semi-conducteurs jouent également un rôle crucial dans ce domaine. Ce sont de minuscules structures qui se comportent comme des atomes artificiels. Avec une excitation laser précise, elles peuvent contrôler des photons individuels avec une grande précision et réaliser des sources de photons uniques – une base essentielle pour une communication absolument sécurisée avec les quanta.

Outre la production de telles structures, les physiciens de Paderborn ont également réussi à réaliser ce que l’on appelle la téléportation quantique avec des « boîtes quantiques imparfaites », en d’autres termes des structures matérielles artificielles. Cela implique de transférer l’état d’un photon à un autre. L’émetteur et le récepteur sont intriqués. Cela nécessite des sources capables de produire des photons indiscernables.

Recherche pour la photonique du futur

« Cette étroite collaboration entre deux partenaires exceptionnels en physique du solide et spectroscopie optique a créé une alliance forte dévouée à la recherche et au développement de la photonique non linéaire du futur. Nous avons pu utiliser les dernières approches théoriques et méthodes expérimentales innovantes pour examiner des questions physiques fondamentales et de nouvelles conceptions de composants – basées sur des non-linéarités sur mesure et des effets quantiques fondamentaux », a noté le professeur Zentgraf. Les résultats obtenus ensemble constituent des jalons sur la voie des futures technologies de l’information et de celles déjà au stade de l’évaluation, telles que les communications quantiques ou le traitement de l’information quantique optique. TRR 142 a ainsi jeté les bases pour atteindre la souveraineté technologique afin d’ouvrir de nouveaux marchés pour les technologies optiques pionnières.

Les centres de recherche collaboratifs sont des institutions de recherche universitaires à long terme dans lesquelles les chercheurs travaillent ensemble au sein d’un programme de recherche multidisciplinaire. Ils permettent aux chercheurs de s’attaquer à des projets de recherche innovants, difficiles, complexes et à long terme grâce à la coordination et à la concentration des individus et des ressources au sein des universités candidates. Ils sont financés par la Fondation allemande pour la recherche (DFG) pour un maximum de 12 ans, chaque période de financement couvrant quatre ans.

Plus d’informations sur le TRR sont disponibles à l’adresse : https://trr142.uni-paderborn.de/en/