Une équipe internationale de chercheurs a réussi une première mondiale en fabriquant expérimentalement un cristal temporel photonique optique.

Le contrôle de la lumière au sein de la matière franchit un nouveau cap décisif. En étendant le concept des cristaux photoniques de l’espace vers le temps, des physiciens ont réussi à manipuler les photons avec une vitesse et une intensité inédites. La découverte, publiée dans la revue Nature, réunit des chercheurs de l’École polytechnique, du Collège de France et du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf.

Le défi de la bande térahertz entre électronique et photonique

Située entre l’électronique conventionnelle et les technologies photoniques, la bande de fréquences térahertz offre un potentiel considérable pour la science et l’industrie. Pourtant, ce domaine reste techniquement sous-développé par rapport à ses pendants électriques et optiques. À l’École polytechnique, l’équipe du Laboratoire des solides irradiés travaille sur des dispositifs capables de dompter cette portion du spectre électromagnétique. Les fréquences térahertz s’avèrent mille fois plus rapides que celles employées dans les composants électroniques actuels.

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L’assistant professor Yannis Laplace ajoute que ce domaine regorge d’opportunités pour la recherche fondamentale et appliquée, soulignant que la création de cristaux photoniques pourrait combler l’écart technologique persistant.

L’architecture du métamatériau plasmonique et l’infrastructure TELBE

Pour concevoir un cristal temporel photonique fonctionnel, les scientifiques ont dû bâtir un dispositif expérimental d’une grande complexité. Avec le concours du Laboratoire Albert Fert de Thales et du laboratoire Physique des interfaces et des couches minces de l’École polytechnique, l’équipe a assemblé un métamatériau plasmonique novateur.

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Ce système intègre des structures en or crénelées de taille micrométrique formant des cavités. Celles-ci reposent sur une couche isolante surplombant un semi-conducteur composé d’un mélange d’indium et d’antimoine. Lorsque la surface de ce semi-conducteur reçoit une excitation, des plasmons de surface se déclenchent. Les électrons agissent alors comme une onde collective apte à capturer la lumière et à soutenir ses oscillations.

Sans cette infrastructure de pointe émettant des impulsions térahertz intenses et stables en phase, la modulation cohérente à l’échelle picoseconde exigée par le régime des cristaux temporels photoniques aurait été impossible à atteindre.

Perspectives pour l’optique ultrarapide et les lasers térahertz

En bombardant le dispositif avec des impulsions laser térahertz, les chercheurs ont observé une modification drastique de la réflectivité du matériau. L’effet s’est produit en une fraction infime de seconde, comparable à l’échelle des oscillations de la lumière elle-même.

Tingwen Guo, doctorant à l’École polytechnique et auteur principal, via Chemeurope, a indiqué qu’en étendant les cristaux photoniques de l’espace au temps, les chercheurs ouvrent une nouvelle dimension pour le contrôle de la lumière ainsi qu’une voie inédite vers l’amplification et l’effet laser.

Les auteurs soulignent que les cristaux temporels photoniques ouvrent la voie à des applications concrètes majeures, notamment des ordinateurs optiques ultrarapides, des réseaux de télécommunications de nouvelle génération ainsi qu’à des sources de lumière et des détecteurs inédits fonctionnant dans le domaine térahertz.