Les humains font l’expérience du monde en trois dimensions, mais une collaboration au Japon a mis au point une méthode de création de dimensions synthétiques pour mieux comprendre les lois fondamentales de l’univers et éventuellement les appliquer à des technologies avancées.

Ils ont publié leurs résultats aujourd’hui (28 janvier 2022) sur progrès scientifique.

« Le concept de dimensions est devenu un incontournable dans divers domaines de la physique et de la technologie contemporaines au cours des dernières années », a déclaré l’auteur de l’article Toshihiko Baba, professeur au Département de génie électrique et informatique de l’Université nationale de Yokohama. « Alors que les recherches sur les matériaux et les structures de faible dimension ont été fructueuses, les développements rapides de la topologie ont révélé une abondance d’autres phénomènes potentiellement utiles en fonction des dimensions du système, dépassant même les trois dimensions spatiales disponibles dans le monde qui nous entoure. »

La topologie fait référence à une extension de la géométrie qui décrit mathématiquement des espaces avec des propriétés conservées en distorsion continue, comme la distorsion d’une bande de Möbius. Lorsqu’ils sont combinés avec la lumière, selon Baba, ces espaces physiques peuvent être dirigés d’une manière qui permet aux chercheurs de créer des phénomènes très complexes.

Dans le monde réel, de la ligne au carré en passant par le cube, chaque dimension fournit plus d’informations et nécessite également plus de connaissances pour la décrire avec précision. En photonique topologique, les chercheurs peuvent créer des dimensions de système supplémentaires, permettant de plus grands degrés de liberté et une manipulation multiforme de propriétés auparavant inaccessibles.

« Les dimensions artificielles ont permis d’exploiter des concepts dimensionnels plus élevés dans des dispositifs dimensionnels inférieurs de moindre complexité, ainsi que d’alimenter des fonctions critiques de dispositifs telles que l’isolation optique sur puce », a déclaré Papa.

Le résonateur cyclique à modification interne réalisé à l’aide de la photonique au silicium génère une échelle de fréquence. Crédit : Université nationale de Yokohama

Les chercheurs ont créé une dimension artificielle sur un résonateur en anneau de silicium, en utilisant la même technique que celle utilisée pour construire des semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS), une puce informatique capable de stocker de la mémoire. Un résonateur en anneau applique des guides pour contrôler et diviser les ondes lumineuses en fonction de paramètres spécifiques, tels que certaines bandes.

Selon Baba, le dispositif optique du résonateur en anneau de silicium a acquis des spectres optiques « en forme de peigne », résultant en des modes appariés cohérents avec un modèle unidimensionnel. En d’autres termes, l’appareil a produit une propriété mesurable – une dimension synthétique – qui a permis aux chercheurs de déduire des informations sur le reste du système.

Alors que l’appareil mis à niveau comprend une seule boucle, d’autres peuvent être empilés pour des effets en cascade et les signaux de fréquence optique sont rapidement distingués.

Surtout, Baba a déclaré que leur plate-forme, même avec des boucles empilées, est beaucoup plus petite et compacte que les méthodes précédentes, qui utilisaient des fibres optiques connectées à divers composants.

« La plate-forme de puces optiques en silicium plus évolutive offre des avancées significatives, permettant à la photonique de dimension synthétique de tirer parti d’une boîte à outils de fabrication CMOS commerciale sophistiquée et avancée, tout en créant des moyens pour que les phénomènes topologiques multidimensionnels soient introduits dans de nouvelles applications de dispositifs », a déclaré Baba. .

La flexibilité du système, y compris la capacité de le reconfigurer si nécessaire, complète les espaces fixes équivalents dans l’espace réel, ce qui peut aider les chercheurs à contourner les contraintes dimensionnelles de l’espace réel pour comprendre les phénomènes au-delà des trois dimensions, selon Baba.

« Ce travail démontre le potentiel d’utilisation de photons dimensionnels topologiques et synthétiques dans la pratique avec une plate-forme d’intégration pour la photonique sur silicium », a déclaré Baba. « Ensuite, nous prévoyons de collecter tous les éléments optiques de dimensions topologiques et synthétiques pour construire un circuit topologique intégré. »

Référence : « Structures de bandes dimensionnelles synthétiques sur la plate-forme optique Si CMOS » 28 janvier 2022 Disponible ici progrès scientifique.
DOI : 10.1126 / sciadv.abk0468

Parmi les autres contributeurs figurent Armandas Palitis et John Maeda, Département de génie électrique et informatique, Université nationale de Yokohama ; Tomoki Ozawa, Institut avancé de recherche sur les matériaux, Université du Tohoku ; et Yasutomo Ota et Satoshi Iwamoto, Institut de nanoélectronique de l’information quantique, Université de Tokyo. OTA est également affilié au Département de physique appliquée et d’informatique physique de l’Université Keio. Iwamoto est également affilié au Center for Advanced Science and Technology Research et à l’Institut des sciences industrielles de l’Université de Tokyo.

Cette recherche a été soutenue par la Japan Science and Technology Agency (JPMJCR19T1, JPMJPR19L2), la Japan Society for the Promotion of Science (JP20H01845) et le RIKEN.