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La nouvelle conception de la fibre optique emprunte des concepts à la topologie pour protéger la lumière des défauts des matériaux de photoguidage ou des distorsions de la section transversale de la fibre.
En utilisant des concepts du domaine mathématique de la topologie, des chercheurs de l’Université de Bath, au Royaume-Uni, ont conçu des fibres optiques capables de diffuser fortement la lumière, même s’il existe des différences dans les propriétés des matériaux de guidage de la lumière ou dans leur géométrie générale. [1]. L’équipe pense que cette protection topologique récemment découverte pourrait permettre des avancées dans la communication optique et l’informatique quantique photonique.
Le concept de topologie est souvent expliqué à l’aide d’une blague sur un beignet et une tasse de café. La tasse à café en caoutchouc peut être constamment tordue et étirée – aucune coupe nécessaire – en forme de beignet. Bien que le contour de l’objet change sous cette transformation, son noyau reste le même – il contient un seul trou. Ainsi, ironie du sort, le topologue ne peut pas faire la distinction entre les deux.
Plus explicitement, la topologie concerne les propriétés générales d’un système qui restent constantes lorsque certains paramètres du système changent constamment : pour une tasse de café et un beignet, la propriété constante est le nombre de trous et le paramètre variable est la géométrie 3D. Les systèmes quantiques peuvent également tomber dans des états topologiques, qui conservent certaines propriétés globales, même lorsque des perturbations locales, telles que le bruit expérimental, se produisent. Cette stabilité pourrait permettre à ces états de survivre plus longtemps que leurs homologues sans classe, ce qui les rend attrayants pour une utilisation en informatique quantique.
Pour leur étude, Nathan Roberts et ses collègues de l’Université de Bath ont commencé avec l’un des modèles topologiques les plus simples : le modèle Su-Schrieffer-Heeger (SSH). Dans le modèle SSH, les électrons sautent le long d’un réseau 1D. La force de couplage des sites de réseau adjacents détermine la facilité avec laquelle les électrons peuvent sauter et basculer entre une valeur élevée (facile) et une valeur faible (difficile). Le modèle prédit que les deux extrémités de la chaîne peuvent évoluer dans des états topologiques, où les électrons sont confinés à ces sites périphériques. Ces états sont très locaux et robustes contre de petits changements dans les forces de couplage entre les sites. Le fait que le modèle SSH soit facile à mettre en œuvre et présente ces états topologiques localisés en a fait un point de départ attrayant pour la construction de fibres topologiquement protégées.
Pour mettre en œuvre le modèle dans les fibres optiques, les chercheurs ont remplacé les électrons par des photons et les réseaux par des tiges à noyau solide à travers lesquelles la lumière pouvait se propager. Pour fabriquer les fibres, ils ont empilé des tubes et des tiges de verre creux selon un motif hexagonal. Les rails étaient en spirale vers l’extérieur à partir du centre de la pile et les tubes couvraient toute la structure. Ensuite, l’ensemble complet a été étiré comme une tire et tiré à 160- Diamètre des fibres.
Le motif périodique des trous créés à partir des tubes de gainage formait la « gaine » externe de la fibre – une zone à travers laquelle la lumière ne pouvait pas se propager – tandis que chacune des douze tiges formait un canal séparé à travers lequel la lumière pouvait voyager, l’équivalent d’un SSH placer. L’équipe a modifié les entrefers entre les 12 centres afin qu’ils alternent entre les noyaux courts et longs, leur donnant un couplage haut et bas entre les noyaux adjacents et la chaîne 1D SHH. Les chercheurs ont ensuite mis en évidence chaque noyau et observé comment il se propageait.
L’équipe a découvert que lorsqu’un noyau brille au milieu d’un thread SSH, la lumière se propage rapidement, peuplant les noyaux voisins. Mais lorsqu’une lumière brillait sur l’une des tiges à chaque extrémité de la spirale, la lumière restait piégée dans ce noyau alors qu’elle voyageait le long des fibres.
Pour tester si ces états « de bord » sont topologiques, comme prédit par le modèle SSH, Roberts et ses collègues ont étudié comment les fibres transmettent la lumière lorsqu’elles présentent des défauts dans leurs propriétés, qu’elles provoquent en pliant doucement les fibres. Comme une voiture de course faisant le tour d’une piste circulaire, la lumière circulant à l’extérieur de la fibre courbe doit voyager plus loin que la lumière circulant à l’intérieur. Ce trouble dépendant de la situation peut être problématique pour maintenir une légère cohérence le long des fibres. Mais ce désordre n’était pas vraiment un problème pour le système lorsque l’équipe a exploité l’un des états topologiques de la fibre.
Andrea Ali, physicienne théoricienne à la City University de New York, trouve cette nouvelle expérience passionnante. Si le cadre théorique est quelque peu établi, l’application [of topology] aux fibres optiques est intéressante et rend le mode guidé plus robuste et résistant à certains types de défauts », dit-il.
Roberts et ses collègues prévoient maintenant de s’appuyer sur ces travaux en concevant d’autres fibres optiques avec des états topologiques. Ils prévoient également de passer de la 1D à la 2D. Peter Mosley, membre de l’équipe, déclare : « Avec les conceptions 2D, nous avons plus de chances de le trouver [applications] qui sont en fait pour une éventuelle utilisation pratique. »
Katie McCormick
Katie McCormick est une rédactrice scientifique indépendante basée à Sacramento, en Californie.
Références
- n.m. Robert et coll.Propriétés ultra-topologiques dans les fibres à cristaux photoniques. Les sciences. Cas. 8 (2022).
