Un dispositif commute des impulsions térahertz entre des skyrmions électriques et magnétiques

Des chercheurs ont créé un dispositif optique capable de générer à la fois des motifs lumineux en forme d’anneaux vortex électriques et magnétiques.Ces vortex de lumière structurés, appelés skyrmions, sont très stables et résistants aux perturbations, ce qui les rend prometteurs pour coder des informations de manière fiable dans les applications sans fil.

Notre dispositif génère non seulement plus d’un motif vortex dans des impulsions térahertz se propageant en espace libre, mais peut également être utilisé pour commuter, à la demande, entre deux modes en utilisant la même plateforme intégrée, explique l’auteur correspondant Xueqian Zhang de l’Université de Tianjin. Une telle contrôlabilité est essentielle pour les applications réelles, où la sélection et la reproduction fiables d’un état souhaité sont cruciales pour l’encodage pratique de l’information.

Dans Optica, la revue du Optica Publishing Group pour la recherche à haut impact, Zhang et ses collègues décrivent comment ils ont utilisé une métasurface non linéaire pour réaliser la première démonstration expérimentale de skyrmions pouvant être commutés entre modes électriques et magnétiques dans des impulsions de lumière térahertz toroïdales. Les métasurfaces sont des matériaux ultra-minces avec des motifs à l’échelle nanométrique qui leur permettent de courber, de focaliser ou de filtrer la lumière d’une manière impossible pour les dispositifs conventionnels.

Nos résultats font avancer le concept de skyrmions en espace libre commutables vers un outil contrôlable pour l’encodage robuste de l’information, souligne le co-auteur correspondant Yijie Shen de l’Université technologique de Nanyang. Ces travaux pourraient inspirer des approches plus résilientes pour les communications sans fil térahertz et le traitement de l’information basé sur la lumière. Ce type de contrôle pourrait également permettre des circuits optiques qui génèrent, commutent et acheminent différents états de signal de manière contrôlée.

Vortex térahertz programmables

Les ondes térahertz sont de plus en plus étudiées pour les communications et la détection de nouvelle génération. Ce nouveau travail découle des efforts plus larges de l’équipe de recherche pour développer des sources de lumière térahertz qui non seulement émettent des impulsions térahertz, mais peuvent aussi façonner ces impulsions de manière utile.

Les vortex toroïdaux de lumière — qui présentent une boucle en forme d’anneau où le champ électromagnétique s’enroule sur lui-même, formant une structure stable en forme de donut — sont attractifs car ils peuvent ajouter des moyens supplémentaires de coder l’information. Cependant, la plupart des dispositifs existants ne peuvent produire qu’un seul type de motif de vortex toroïdal, souvent de manière limitée, et n’ont pas de capacité intégrée à commuter entre différents modes.

Pour fabriquer un dispositif intégré permettant de commuter entre des motifs de lumière vortex toroïdaux électriques et magnétiques dans des impulsions térahertz en espace libre, les chercheurs ont utilisé une métasurface non linéaire spécialement conçue, constituée de nanostructures métalliques soigneusement structurées.

Lorsque des impulsions laser femtosecondes dans le proche infrarouge avec différentes formes de polarisation sont dirigées sur la métasurface, celle-ci génère différentes impulsions de lumière térahertz toroïdales qui portent soit une texture vortex de mode électrique, soit de mode magnétique. Le processus est similaire à l’utilisation de clés différentes pour ouvrir des portes différentes : un motif lumineux active le mode électrique tandis qu’un autre active le mode magnétique.

L’innovation centrale réside dans la métasurface non linéaire qui convertit des impulsions laser femtosecondes dans le proche infrarouge façonnées en impulsions de lumière térahertz toroïdales sur mesure, révèle le premier auteur Li Niu de l’Université de Tianjin, qui a réalisé les expériences.

Le chef de projet Jiaguang Han, de l’Université de Tianjin, ajoute : En utilisant des éléments optiques simples comme des lames quart d’onde et des retardateurs de vortex pour contrôler le motif de polarisation du laser d’entrée, nous sommes capables de créer un dispositif compact qui peut commuter activement entre deux états topologiques de lumière distincts.

Suivi des modes de skyrmion

Pour évaluer les performances du dispositif, l’équipe de recherche a construit un montage de mesure térahertz ultra-rapide qui leur a permis de regarder l’impulsion térahertz générée alors qu’elle se déplace dans l’espace. Plutôt que de s’appuyer sur une seule image, ils ont balayé l’impulsion à différentes positions et à différents moments pour reconstruire l’évolution du motif de champ.

Les motifs de champ mesurés ont clairement montré les profils caractéristiques de l’impulsion toroïdale et des deux modes de skyrmion distincts. Les performances ont été quantifiées à l’aide de mesures de fidélité, qui ont confirmé à la fois une capacité de commutation fiable et une grande pureté modale.

À l’avenir, les chercheurs visent à faire avancer le concept vers des applications pertinentes pour les communications. Cela impliquera d’améliorer la stabilité à long terme, la reproductibilité et l’efficacité globale, tout en rendant l’ensemble du système plus compact et robuste. De plus, ils entendent étendre le système au-delà de deux états en incorporant des modes contrôlables supplémentaires, permettant ainsi des schémas de codage plus riches.

Article : Electric-Magnetic-Switchable Free-Space Skyrmions in Toroidal Light Pulses via a Nonlinear Metasurface – Journal : Optica – DOI : Lien vers l’étude