Progrès dans la recherche sur les puces photoniques topologiques programmables

Contexte de la recherche

Ces dernières années, les isolants topologiques (Topological Insulators, TI) ont suscité un intérêt considérable dans la communauté de la physique. Leurs mécanismes physiques riches et les applications potentielles des modes de bord topologiques ont conduit à un développement rapide de ce domaine. Depuis la découverte de l’effet Hall quantique (Quantum Hall Effect), la recherche sur les phases topologiques (Topological Phase) a réalisé des progrès importants, impliquant la dimensionnalité, la symétrie, la non-Hermitianité et les défauts parmi d’autres aspects. Lorsque la topologie rencontre la photonique, le domaine de la photonique topologique a rapidement émergé, devenant une direction de recherche indépendante, révolutionnant ainsi le développement de la science et de la technologie optiques. Les systèmes photoniques topologiques offrent de nombreux avantages tels qu’un faible bruit, une moindre contrainte géométrique du réseau, une grande diversité des matériaux optiques, un haut degré de contrôlabilité des dispositifs optiques et des effets de photonique non-linéaire largement applicables.

Problème de recherche

Bien que les dispositifs photoniques topologiques aient démontré de nombreux phénomènes topologiques et leurs applications potentielles, comme les lignes de retard optique topologiques, les lasers topologiques, les sources de photons uniques et les sources de photons intriqués, il existe une urgence de haute programmabilité dans leurs applications pratiques. Contrôler les états de phase topologique de la lumière permet d’observer des phénomènes topologiques riches et de développer des dispositifs photoniques robustes. Réaliser un contrôle de niveau supérieur nécessite des dispositifs à haute capacité de programmation.

Objectif de la recherche

Cette étude vise à démontrer une puce photonique topologique entièrement programmable, intégrant à grande échelle des circuits nanophotoniques en silicium et des micro-résonateurs. Par l’adressage et le contrôle individuel des atomes artificiels photoniques et de leur interaction dans notre système composite, il est possible d’ajuster de manière arbitraire les paramètres structurels et la configuration géométrique, permettant ainsi d’observer des transitions de phase topologique dynamiques et divers isolants topologiques photoniques. Notre puce photonique topologique universelle peut être rapidement reprogrammée pour réaliser de multiples fonctions, offrant ainsi une plateforme flexible et multifonctionnelle pour les applications scientifiques fondamentales et technologiques topologiques.

Source de l’article

Les principaux auteurs de cet article incluent Tianxiang Dai, Anqi Ma, Jun Mao, etc., provenant respectivement de l’École de physique de l’Université de Pékin, du laboratoire national clé de la physique mésoscopique, du département de physique et physique appliquée de l’Université technologique de Nanyang à Singapour, de l’institut de microélectronique de l’Académie chinoise des sciences, et d’autres institutions. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans la revue « Nature Materials », acceptés le 19 avril 2024 et publiés en ligne la même année.

Processus et méthodologie de la recherche

Étapes du processus

1. Conception et intégration de la puce

   • La puce photonique topologique est basée sur un circuit photonique en boucle, capable de supporter des états de lumière en avant et en arrière.
   • Chaque micro-anneau simule un « atome », le Mach-Zehnder Interferometer (MZI) simule une interaction atomique réglable, et la puce photonique simule un réseau d’atomes artificiels.

2. Configuration expérimentale

   • Une grille carrée de six cellules par six cellules intègre 96 micro-anneaux de même circonférence, chaque micro-anneau ayant un facteur de qualité intrinsèque d’environ 105.
   • Le couplage entre les micro-anneaux (force et phase de couplage) peut être contrôlé de manière arbitraire via le MZI.

3. Test de transition de phase topologique

   • En ajustant la force de couplage et la phase de résonance, différents types de transitions de phase topologique de Floquet sont respectivement déclenchés.

4. Vérification statistique des phénomènes topologiques

   • Ajouter une perturbation de phase aléatoire à tous les micro-anneaux, générer et tester 100 échantillons avec un désordre précisément contrôlé.

5. Comparaison de diverses structures de grille

   • Tester et simuler la distribution des états électroniques et la structure des bandes dans différentes structures de grille (comme l’isolant topologique 1D Su-Schrieffer-Heeger et l’isolant topologique 2D de Floquet).

Innovation en méthodologie et équipement expérimentaux

La puce photonique topologique utilisée dans cette recherche intègre de nombreux circuits de guide d’onde nanophotonique en silicium et des micro-résonateurs fabriqués à partir d’un processus CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Chaque micro-anneau fonctionne comme un atome artificiel, avec un contrôle indépendant de sa phase de résonance, ainsi que de la force de couplage et de la phase de saut entre les atomes voisins. Les expériences ont démontré un haut niveau de contrôlabilité et de programmabilité, rendant possibles les transitions de phase topologique dynamiques, les processus topologiques statistiques et divers réseaux topologiques.

Résultats de la recherche

1. Transitions de phase topologique de Floquet

   • En ajustant les paramètres de couplage θ1−4 et les paramètres de phase de résonance φ, les transitions de phase dans une structure à trois bandes ont été réalisées avec succès.
   • Dans les transitions de phase topologique induites par la force de couplage, lorsque θ atteint un point critique, le gap de bande se ferme puis se rouvre, entraînant la disparition des modes de bord topologiques.
   • En ajustant la phase de résonance φ, en modifiant la phase φs, différentes disparitions et réapparitions des modes de bord topologiques dans les lacunes de bande ont été observées.

2. Vérification statistique

   • Test de 100 échantillons sous conditions de perturbation de phase aléatoire, vérifiant la robustesse des modes de bord topologiques.
   • Les résultats montrent que le désordre n’a pratiquement aucun effet sur les zones de transmission stable des modes de bord topologiques, mais affecte de manière significative les modes de volume.

3. Transition de phase Anderson topologique

   • Sous un fort désordre, par le contrôle précis de la phase désordonnée, une transition de phase Anderson topologique a été observée, montrant des transitions non triviales apparaissant progressivement dans les lacunes de bande à faible transmission.

4. Test de différentes structures de grille

   • En reconfigurant l’équipement, des modes topologiques de Floquet équivalents dans un réseau hexagonal ont été démontrés avec succès, et des lacunes de bande et des modes de bord en couches empilées ont été observés.

Signification de la recherche

Cette étude démontre l’utilisation de puces photoniques topologiques hautement programmables pour observer des transitions de phase topologique dynamiques, des phénomènes topologiques statistiques et réaliser divers réseaux topologiques, offrant ainsi une plateforme flexible et efficace. Ce prototype fournit une plateforme photonique topologique flexible, multifonctionnelle et programmée instantanément, utile non seulement pour la recherche fondamentale en science optique topologique, mais également pour proposer de nouvelles solutions aux tâches de traitement et de calcul de l’information classique et quantique.

Avec ce réseau de résonateurs optiques à grande échelle doté d’une fonctionnalité bidirectionnelle unique, il est possible de simuler des propriétés complexes de matériaux réels, offrant une plateforme matérielle flexible pour la recherche des matériaux topologiques complexes et la prédiction de leurs propriétés physiques.

À l’avenir, son évolutivité et son intégration, grâce à la conception de circuits photoniques en boucle plus sophistiqués et de circuits de câblage, pourraient permettre de réaliser des puces topologiques de plus grande envergure, allant ainsi vers une application plus large de la technologie photonique.