Les dimensions synthétiques (DS) ont émergé comme l’un des domaines de recherche les plus actifs en physique, offrant une voie pour explorer des phénomènes dans des espaces de dimensions supérieures, au-delà de notre espace géométrique conventionnel en 3D. Ce concept a suscité une attention considérable, en particulier dans le domaine de la photonique topologique, en raison de son potentiel à dévoiler une physique riche, inaccessible dans les dimensions traditionnelles.
Les défis des structures de réseau complexes en 3D
L’un des principaux défis dans l’espace conventionnel en 3D est la réalisation expérimentale de structures de réseau complexes avec des couplages spécifiques. Les DS offrent une solution en fournissant une plateforme plus accessible pour créer des réseaux complexes de résonateurs avec des couplages anisotropes, à longue portée ou dissipatifs.
Cette capacité a déjà conduit à des démonstrations révolutionnaires de l’enroulement topologique non hermitien, de la symétrie parité-temps et d’autres phénomènes. Une variété de paramètres ou de degrés de liberté au sein d’un système, tels que les modes de fréquence, les modes spatiaux et les moments angulaires orbitaux, peuvent être utilisés pour construire des DS, prometteurs pour des applications dans divers domaines allant des communications optiques aux lasers à isolant topologique.
Vers des réseaux de résonateurs « utopiques »
Un objectif clé dans ce domaine est la construction d’un réseau «utopique» de résonateurs où n’importe quelle paire de modes peut être couplée de manière contrôlée. Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire de manipuler précisément les modes dans les systèmes photoniques, offrant des possibilités d’améliorer la transmission de données, l’efficacité de la récupération d’énergie et la luminance des réseaux laser.
Récemment, comme rapporté dans Advanced Photonics, une équipe internationale de chercheurs a créé des réseaux personnalisables de guides d’ondes pour établir des dimensions modales synthétiques. Cette avancée permet un contrôle efficace de la lumière dans un système photonique, sans nécessiter de caractéristiques supplémentaires compliquées comme la non-linéarité ou la non-hermiticité.
Le professeur Zhigang Chen de l’Université de Nankai note : « La capacité d’ajuster différents modes de lumière au sein du système nous rapproche de la réalisation de réseaux ‘utopiques’, où tous les paramètres d’une expérience sont parfaitement contrôlables. »
Utilisation de réseaux de neurones artificiels
Dans leurs travaux, les chercheurs modulent les perturbations («fréquences de tortillement») pour les propagations qui correspondent aux différences entre les différents modes de lumière. Pour ce faire, ils utilisent des réseaux de neurones artificiels (RNA) pour concevoir des réseaux de guides d’ondes dans l’espace réel. Les RNA sont entraînés pour créer des configurations de guides d’ondes qui ont exactement les motifs de mode souhaités. Ces tests aident à révéler comment la lumière se propage et se confine dans les réseaux.
Enfin, les chercheurs démontrent l’utilisation des RNA pour concevoir un type particulier de structure de réseau photonique appelé réseau Su-Schrieffer-Heeger (SSH). Ce réseau possède une caractéristique spécifique permettant le contrôle topologique de la lumière dans l’ensemble du système. Cela leur permet de changer le mode de volume dans lequel la lumière se déplace, mettant en évidence les propriétés uniques de leurs dimensions synthétiques.
Implications et perspectives futures
L’implication de ces travaux est substantielle. En ajustant finement les distances et les fréquences des guides d’ondes, les chercheurs visent à optimiser la conception et la fabrication de dispositifs photoniques intégrés. Le professeur Hrvoje Buljan de l’Université de Zagreb remarque : « Au-delà de la photonique, ce travail offre un aperçu de la physique géométriquement inaccessible. Il est prometteur pour des applications allant du mode laser à l’optique quantique et à la transmission de données. »
Les professeurs Chen et Buljan notent que l’interaction entre la photonique topologique et la photonique à dimension synthétique, renforcée par les RNA, ouvre de nouvelles possibilités de découvertes qui pourraient conduire à des matériaux et des applications de dispositifs sans précédent.
Légende illustration : L’apprentissage en profondeur permet de manipuler la lumière dans une dimension synthétique. Crédit : Xia, Lei, et al., doi 10.1117/1.AP.6.2.026005.
Article : « Deep-learning-empowered synthetic dimension dynamics: morphing of light into topological modes » – DOI: 10.1117/1.AP.6.2.026005
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