Un dispositif innovant pourrait rendre les lasers plus économes en énergie

Un dispositif de la taille d’un cheveu humain, conçu par des chercheurs de l’Institut polytechnique Rensselaer, pourrait révolutionner l’étude de la matière et de la lumière. Publiées dans la revue Nature Nanotechnology, leurs découvertes pourraient également améliorer l’efficacité des lasers, utilisés dans des domaines variés tels que la médecine et la fabrication.

Un dispositif innovant pour l’étude de la matière et de la lumière

Le dispositif, fabriqué à partir d’un matériau spécial appelé isolant topologique photonique, guide les photons, les particules ondulatoires constituant la lumière, vers des interfaces spécifiquement conçues à l’intérieur du matériau. Cette propriété empêche les photons de se disperser à travers le matériau.

Grâce à cette caractéristique, les isolants topologiques permettent à de nombreux photons d’agir de manière cohérente comme un seul photon. Ces dispositifs peuvent également servir de «simulateurs quantiques topologiques», des laboratoires miniatures où les chercheurs peuvent étudier les phénomènes quantiques, les lois physiques régissant la matière à très petite échelle.

Un dispositif fonctionnant à température ambiante

« L’isolant topologique photonique que nous avons créé est unique. Il fonctionne à température ambiante. C’est une avancée majeure. Auparavant, on ne pouvait étudier ce régime qu’en utilisant des équipements coûteux refroidissant la matière dans un vide. De nombreux laboratoires de recherche n’ont pas accès à ce type d’équipement, donc notre dispositif pourrait permettre à plus de personnes de poursuivre ce type de recherche fondamentale en physique dans le laboratoire », a déclaré Wei Bao, professeur adjoint au Département des sciences et du génie des matériaux à RPI et auteur principal de l’étude publiée dans Nature Nanotechnology.

« C’est également une étape prometteuse dans le développement de lasers nécessitant moins d’énergie pour fonctionner, car notre dispositif à température ambiante a un seuil énergétique — la quantité d’énergie nécessaire pour le faire fonctionner — sept fois inférieur à celui des dispositifs à basse température développés précédemment », a ajouté Wei Bao.

Une technologie issue de l’industrie des semi-conducteurs

Les chercheurs de RPI ont créé leur dispositif novateur en utilisant la même technologie que celle employée dans l’industrie des semi-conducteurs pour fabriquer des microprocesseurs. Cette technologie consiste à superposer différents types de matériaux, atome par atome, molécule par molécule, afin de créer une structure souhaitée avec des propriétés spécifiques.

Pour concevoir leur dispositif, les chercheurs ont fait croître des plaques ultrafines de pérovskite halogénée, un cristal composé de césium, de plomb et de chlore, et ont gravé un polymère sur le dessus avec un motif. Ils ont ensuite pris en sandwich ces plaques de cristal et ce polymère entre des feuilles de divers matériaux oxydés, formant finalement un objet d’environ 2 microns d’épaisseur et 100 microns de longueur et de largeur (la largeur moyenne d’un cheveu humain est de 100 microns).

Des résultats prometteurs pour l’avenir des lasers

Lorsque les chercheurs ont dirigé un faisceau laser sur le dispositif, un motif triangulaire lumineux est apparu aux interfaces conçues dans le matériau. Ce motif, dicté par la conception du dispositif, résulte des caractéristiques topologiques des lasers.

« Pouvoir étudier les phénomènes quantiques à température ambiante est une perspective excitante. Le travail innovant du professeur Bao montre comment l’ingénierie des matériaux peut nous aider à répondre à certaines des plus grandes questions de la science », a déclaré Shekhar Garde, doyen de l’École d’ingénierie de RPI.

Légende illustration : Représentation de l’isolateur topologique photonique mis au point dans le cadre de l’étude. (crédit : Rensselaer Polytechnic Institute)

Article : « Topological valley Hall polariton condensation » – DOI: https://www.nature.com/articles/s41565-024-01674-6