Humans experience the world in three dimensions, but a collaboration in Japan has developed a way to create synthetic dimensions to better understand the fundamental laws of the Universe and possibly apply them to advanced technologies.
Ils ont publié leurs résultats aujourd'hui (28 janvier 2022) dans Science Advances.
«Le concept de dimensionnalité est devenu un élément central dans divers domaines de la physique et de la technologie contemporains ces dernières années», a déclaré l'auteur du journal Toshihiko Baba, professeur au Département de génie électrique et informatique de l'Université nationale de Yokohama.«Alors que les enquêtes sur les matériaux et les structures à moindre dimension ont été fructueuses, les progrès rapides de la topologie ont révélé une autre abondance de phénomènes potentiellement utiles en fonction de la dimensionnalité du système, allant même au-delà des trois dimensions spatiales disponibles dans le monde qui nous entoure.»
La topologie fait référence à une extension de la géométrie qui décrit mathématiquement les espaces avec des propriétés conservées en distorsion continue, comme la torsion d'une bande de Mobius.Lorsqu'ils sont combinés avec la lumière, selon Baba, ces espaces physiques peuvent être dirigés d'une manière qui permet aux chercheurs d'induire des phénomènes très compliqués.
Dans le monde réel, d'une ligne à un carré à un cube, chaque dimension fournit plus d'informations, et nécessite également plus de connaissances pour les décrire avec précision.Dans la photonique topologique, les chercheurs peuvent créer des dimensions supplémentaires d'un système, permettant plus de degrés de liberté et de manipulation multiforme des propriétés auparavant inaccessibles.
«Les dimensions synthétiques ont permis d'exploiter des concepts de dimension plus élevée dans des dispositifs à moindre dimension avec une complexité réduite, ainsi que la conduite de fonctionnalités critiques de dispositifs tels que l'isolement optique sur puce», a déclaré Baba.
Résonateur d'anneau fabriqué à l'aide de la photonique de silicium et modulé en interne génère une échelle de fréquence.Crédit: Université nationale de Yokohama
Les chercheurs ont fabriqué une dimension synthétique sur un résonateur à anneau de silicium, en utilisant la même approche utilisée pour construire des sémiconducteurs d'oxyde métallique complémentaires (CMO), une puce informatique qui peut stocker une certaine mémoire.Un résonateur d'anneau applique des guides pour contrôler et diviser les ondes lumineuses en fonction de paramètres spécifiques, tels que des bandes passantes particulières.
Selon Baba, le dispositif photonique du résonateur de l'anneau de silicium a acquis des spectres optiques «de type peigne», résultant en des modes couplés correspondant à 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.
Bien que l'appareil développé comprenne un anneau, d'autres pourraient être empilés aux effets en cascade et caractériser rapidement les signaux de fréquence optique.
Surtout, a déclaré Baba, leur plate-forme, même avec des anneaux empilés, est beaucoup plus petite et compacte que les approches précédentes, qui employaient des fibres optiques liées à divers composants.
«Une plate-forme de puce photonique en silicium plus évolutive fournit un progrès considérable, car il permet aux photoniques de dimensions synthétiques de bénéficier de la boîte à outils de fabrication commerciale CMOS mature et sophistiquée, tout en créant les 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 statiques équivalents dans l'espace réel, ce qui pourrait aider les chercheurs à contourner les contraintes dimensionnelles de l'espace réel pour comprendre les phénomènes même au-delà de trois dimensions, selon Baba.
"Ce travail montre la possibilité que la photonique topologique et synthétique de dimension puisse être utilisée pratiquement avec une plate-forme d'intégration photonique en silicium", a déclaré Baba.«Ensuite, nous prévoyons de collecter tous les éléments photoniques topologiques et synthétiques pour construire un circuit intégré topologique.»
Référence: «Structures de bande de dimension synthétique sur une plate-forme photonique SI CMOS» d'Armandas Balcytis, Tomoki Ozawa, Yasutomo OTA, Satoshi Iwamoto, Jun Maeda et Toshihiko Baba, 28 janvier 2022, Science Advances.doi: 10.1126 / sciadv.abk0468
Les autres contributeurs incluent Armandas Balčytis et Jun Maeda, Department of Electrical and Computer Engineering, Yokohama National University;Tomoki Ozawa, Advanced Institute for Materials Research, Université Tohoku;et Yasutomo OTA et Satoshi Iwamoto, Institute for Nano Quantum Information Electronics, Université de Tokyo.OTA est également affiliée au Département de physique appliquée et de physico-informatique de l'Université Keio.Iwamoto est également affilié au Centre de recherche pour les sciences et la technologie avancées et l'Institut des sciences industrielles, l'Université de Tokyo.
La Japon Science and Technology Agency (JPMJCR19T1, JPMJPR19L2), la Japan Society for the Promotion of Science (JP20H01845) et Riken ont soutenu cette recherche.
