Des scientifiques de l’Université technologique de Nanyang, à Singapour (NTU Singapore), ont découvert une méthode beaucoup plus simple pour produire des structures lumineuses inhabituelles appelées skyrmions optiques, en réanimant une expérience classique en optique vieille de plus de 200 ans.
Les skyrmions optiques sont de minuscules motifs tourbillonnants et stables formés au sein des propriétés de la lumière. Leur structure est souvent comparée aux piquants d’un hérisson. Étant donné qu’ils peuvent potentiellement encoder et stocker des informations, les chercheurs les considèrent comme des éléments prometteurs pour les futures technologies de stockage de données, de communication et de calcul.
Au lieu de recourir à des métamatériaux coûteux et hautement spécialisés traditionnellement nécessaires pour générer des skyrmions optiques, l’équipe de NTU les a créés en dirigeant un laser sur un petit disque circulaire. Cette approche offre une manière bien plus simple de produire, d’étudier et de contrôler ces structures lumineuses complexes.
Les résultats, publiés dans la revue Optica, ont été dirigés par le professeur assistant Shen Yijie de l’École des sciences physiques et mathématiques et de l’École d’ingénierie électrique et électronique de NTU.
« Ce qui est remarquable, c’est que les skyrmions optiques peuvent désormais être générés grâce à un effet simple où la lumière se plie autour d’un objet, sans dépendre de métamatériaux artificiels coûteux ou de techniques hautement spécialisées », a expliqué le professeur Shen.
« Cela pourrait rendre les skyrmions optiques beaucoup plus accessibles aux chercheurs. En abaissant la barrière technique à leur création et à leur étude, cette méthode ouvre de nouvelles possibilités pour les scientifiques afin d’explorer comment ils pourraient être utilisés dans la recherche future en optique, matériaux et informatique. »
Une Phénomène Lumineux Classique Trouve une Nouvelle Utilité
Cette avancée est basée sur le point de Poisson, un phénomène optique bien connu dans lequel un point lumineux apparaît au centre de l’ombre projetée par un objet circulaire lorsqu’il est éclairé par une source lumineuse cohérente telle qu’un laser.
Le point de Poisson a joué un rôle important dans le débat du début du XIXe siècle sur la nature de la lumière. À l’époque, les scientifiques se demandaient si la lumière se déplaçait uniquement sous forme de particules en lignes droites ou se comportait comme des ondes capables de se plier et de se propager.
La théorie des ondes prédisait qu’un point lumineux devait apparaître au centre de l’ombre du disque, où l’obscurité totale serait autrement attendue. L’observation du point de Poisson a fourni des preuves convaincantes que la lumière subit une diffraction, c’est-à-dire qu’elle se plie et se propage lorsqu’elle passe autour d’objets ou à travers de petites ouvertures.
Quatre Types de Skyrmions Optiques à la Fois
Les chercheurs ont également découvert que leur configuration de point de Poisson produisait naturellement jusqu’à quatre motifs de champs topologiques connexes simultanément.
Cela incluait des skyrmions de spin, des skyrmions de Stokes, des skyrmions de champ électrique et des skyrmions de champ magnétique. Le spin se réfère aux propriétés de rotation de la lumière, tandis que les paramètres de Stokes décrivent la polarisation, ou la direction dans laquelle les ondes lumineuses vibrent en se déplaçant.
Générer ces quatre types ensemble pourrait offrir aux scientifiques une occasion unique de comparer comment différents skyrmions optiques se forment, évoluent et interagissent au sein du même champ lumineux.
Des simulations informatiques ont montré les structures comme des ensembles tourbillonnants de flèches illustrant comment différentes propriétés de la lumière changent de direction à travers le point de Poisson.
Une Méthode Plus Simple pour Contrôler une Lumière Complexe
La lumière possède de nombreuses caractéristiques que les chercheurs peuvent manipuler, y compris son intensité, sa phase, sa polarisation, son spin, ainsi que ses vecteurs de champ électrique et magnétique.
Ces propriétés peuvent être disposées en structures topologiques, qui sont des motifs restant stables même lorsqu’ils sont étirés ou déformés. En ajustant les conditions modelant le champ lumineux, les scientifiques pourraient être en me de contrôler précisément la taille, la forme et le comportement des skyrmions optiques.
Le professeur Shen a déclaré : « Dans le point lumineux que nous avons créé, plusieurs types de vecteurs optiques pouvaient former des structures topologiques en même temps. Ces différentes composantes de la lumière sont étroitement liées, mais elles ne forment pas nécessairement des motifs topologiques identiques. »
« Être capable de produire et de comparer plusieurs skyrmions au sein d’un même système pourrait aider les chercheurs à découvrir de nouveaux liens entre les propriétés électriques, magnétiques et autres propriétés physiques de la lumière. »
Applications Potentielles en Informatique et Photonique
Les skyrmions ont été d’abord proposés en physique des particules et nucléaire avant de devenir un domaine d’étude important en physique de la matière condensée et des matériaux magnétiques. Plus récemment, les scientifiques ont commencé à étudier les skyrmions optiques comme des structures stables, semblables à des particules, qui existent au sein des champs lumineux.
Les méthodes antérieures de production de skyrmions optiques reposaient sur des métamatériaux, qui sont des structures microscopiques artificiellement conçues pour manipuler la lumière de manière que les matériaux conventionnels ne peuvent pas.
En remplaçant ces systèmes complexes par une configuration optique beaucoup plus simple, le travail de l’équipe de NTU pourrait rendre la recherche sur les skyrmions optiques plus accessible. Les résultats fournissent également une base pour de futures études sur la lumière topologique et pourraient contribuer à des avancées en photonique, matériaux avancés, traitement de l’information et informatique de nouvelle génération.
. Source : NTU Singapore.
