Comment les chercheurs ont réussi à manipuler le moment angulaire total des photons

Dans le monde infiniment petit des particules, même les plus minuscules comme les photons portent un moment angulaire. Les photons possèdent deux formes distinctes de moment angulaire : le moment angulaire de spin (MAS) et le moment angulaire orbital (MAO).

Lorsque ces deux formes s’unissent, nous assistons à l’émergence du « moment angulaire total » (MAT), un outil photonique aux applications vastes et variées. Découvrez comment des chercheurs ont réussi à manipuler ce MAT, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives dans divers domaines.

Un outil photonique aux applications multiples

Les objets en rotation portent un moment angulaire, une réalité qui s’étend même aux plus petites particules, comme les photons. Les photons possèdent non pas une, mais deux formes distinctes de moment angulaire : le moment angulaire de spin (MAS) et le moment angulaire orbital (MAO). Le MAS oscille entre deux valeurs propres, représentant les polarisations circulaires droite et gauche, tandis que le MAO a une infinité de valeurs propres, correspondant à la phase spirale.

Lorsque le MAS s’unit avec le MAO, nous assistons à l’avènement du «moment angulaire total» (MAT), une boîte à outils photonique aux applications vastes, allant du lidar, au traitement laser, en passant par la communication optique, l’informatique optique, l’information quantique, et bien plus encore.

*Structure conceptuelle du manipulateur de moment angulaire total : un faisceau lumineux transportant plusieurs modes de moment angulaire passe à travers le manipulateur pour être filtré.* Crédit : Li et al, doi 10.1117/1.AP.5.5.056002.

Reconnaissance et contrôle du moment angulaire total : un défi relevé

Comme le MAO a transformé le domaine, la reconnaissance efficace et le contrôle en temps réel des modes de MAT offrent des clés pour des applications de MAT innovantes. Les méthodes existantes pour reconnaître les états de MAT des photons ont des limites, notamment une plage dynamique restreinte, une faible précision de reconnaissance, et une incapacité à adapter le filtrage en temps réel. Ces contraintes limitent le progrès du développement et de l’application du MAT.

L’extraction des modes de MAT souhaités d’un faisceau de photons est restée un casse-tête non résolu jusqu’à présent.

Performance du système dans les cas de passage direct et de blocage sélectif lorsque des états TAM multiples sont incidents. (a) Résultats expérimentaux pour les faisceaux incidents ; (b) spectres TAM des faisceaux de sortie dans les deux cas ci-dessus. Les modèles de sortie sont cohérents avec les entrées dans les cas de passage direct. Pour les cas de blocage sélectif, le filtre spatial placé dans le plan de séparation est présenté comme Sp2. Après le blocage, les motifs de ces faisceaux passent d’une forme pétaloïde à une forme de beignet. Crédit : Li et al, doi 10.1117/1.AP.5.5.056002.

Avancée dans la manipulation du moment angulaire total

Selon un rapport publié dans Advanced Photonics, des chercheurs de l’Institut de Technologie de Pékin ont développé un manipulateur de MAT photonique qui élimine ces obstacles, réalisant une manipulation à la demande du MAS et du MAO. Leur approche implique la mise en cascade symétrique de deux unités analogues : le séparateur de MAT et le renverseur de MAT. Ces unités, composées d’éléments optiques spécialisés appelés dérouleurs et correcteurs, sont conçues à travers un processus méticuleux.

Imaginez le manipulateur de MAT photonique comme un chef d’orchestre dirigeant une orchestre de lumière. Le séparateur de MAT transforme le faisceau entrant en un ensemble de rayures disposées spatialement, chacune représentant un mode de MAT. Un filtre spatial prend le relais, détermine quels modes de MAT conserver et lesquels bloquer. Enfin, le renverseur de MAT ramène les faisceaux séparés au domaine spatial, achevant la symphonie.

Des résultats prometteurs pour l’avenir de la photonique

Les chercheurs rapportent une démonstration expérimentale soutenant la reconnaissance de jusqu’à 42 modes de MAT individuels. Les résultats illustrent une bonne performance de sélection de l’état de MAT, ce qui le rend particulièrement attrayant pour la transmission de données à grande capacité à haute vitesse et les systèmes de cryptage photonique à haute sécurité. Il offre également de nouvelles perspectives sur le calcul photonique à haute fidélité et le traitement des signaux de radar quantique.

En synthèse

La manipulation du moment angulaire total des photons représente une étape importante dans le domaine de la photonique. Cette avancée, réalisée par des chercheurs de l’Institut de Technologie de Pékin, ouvre de nouvelles perspectives dans divers domaines, tels que la transmission de données à grande capacité, les systèmes de cryptage photonique à haute sécurité, le calcul photonique à haute fidélité et le traitement des signaux de radar quantique. Il reste encore beaucoup à découvrir et à explorer dans ce domaine passionnant.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le moment angulaire total (MAT) des photons ?

Le moment angulaire total (MAT) des photons est la combinaison du moment angulaire de spin (MAS) et du moment angulaire orbital (MAO). Il a une multitude d’applications dans divers domaines tels que le lidar, le traitement laser, la communication optique, l’informatique optique, l’information quantique, et bien plus encore.

Quels sont les défis liés à la reconnaissance et au contrôle du MAT ?

Les méthodes existantes pour reconnaître les états de MAT des photons ont des limites, notamment une plage dynamique restreinte, une faible précision de reconnaissance, et une incapacité à adapter le filtrage en temps réel. Ces contraintes limitent le progrès du développement et de l’application du MAT.

Qu’est-ce qu’un manipulateur de MAT photonique ?

Un manipulateur de MAT photonique est un dispositif qui permet de manipuler à la demande le MAS et le MAO. Il est composé de deux unités : le séparateur de MAT et le renverseur de MAT, qui sont conçus à travers un processus méticuleux.

Comment fonctionne le manipulateur de MAT photonique ?

Le manipulateur de MAT photonique fonctionne comme un chef d’orchestre dirigeant une orchestre de lumière. Le séparateur de MAT transforme le faisceau entrant en un ensemble de rayures disposées spatialement, chacune représentant un mode de MAT. Un filtre spatial détermine quels modes de MAT conserver et lesquels bloquer. Enfin, le renverseur de MAT ramène les faisceaux séparés au domaine spatial.

Quels sont les résultats obtenus avec le manipulateur de MAT photonique ?

Les chercheurs ont réussi à reconnaître jusqu’à 42 modes de MAT individuels. Les résultats montrent une bonne performance de sélection de l’état de MAT, ce qui rend le manipulateur de MAT photonique particulièrement attrayant pour la transmission de données à grande capacité à haute vitesse et les systèmes de cryptage photonique à haute sécurité.

Article : par L. Li et al., “Photon total angular momentum manipulation,” Adv. Photon. 5(5) 056002 (2023), doi 10.1117/1.AP.5.5.056002.

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