Faire la lumière sur les dimensions synthétiques

Le résonateur en anneau fabriqué à l’aide de la photonique au silicium et modulé en interne génère une échelle de fréquences. Crédit : Université nationale de Yokohama

Les humains font l’expérience du monde en trois dimensions, mais une collaboration au Japon a mis au point un moyen de créer des dimensions synthétiques pour mieux comprendre les lois fondamentales de l’univers et éventuellement les appliquer aux technologies de pointe.


Ils ont publié leurs résultats le 28 janvier 2022 dans Avancées scientifiques.

« Le concept de dimensionnalité est devenu un élément central dans divers domaines de la physique et de la technologie contemporaines ces 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 enquêtes sur les matériaux et les structures de dimension inférieure ont été fructueuses, les progrès rapides de la topologie ont découvert une nouvelle abondance de phénomènes potentiellement utiles en fonction de la dimensionnalité du système, allant même au-delà des trois dimensions spatiales disponible dans le monde qui nous entoure. »

La topologie fait référence à une extension de la géométrie qui décrit mathématiquement des espaces avec des propriétés préservées dans une distorsion continue, comme la torsion d’une bande de Mobius. Lorsqu’ils sont combinés à 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 en passant par un 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 supplémentaires d’un système, permettant plus de degrés de liberté et une manipulation multiforme de propriétés auparavant inaccessibles.

« Les dimensions synthétiques ont permis d’exploiter des concepts de dimension supérieure dans des dispositifs de dimension inférieure avec une complexité réduite, ainsi que de piloter des fonctionnalités critiques de dispositif telles que l’isolation optique sur puce », a déclaré Baba.

Les chercheurs ont fabriqué une dimension synthétique sur un résonateur en anneau de silicium, en utilisant la même approche que celle utilisée pour construire des semi-conducteurs à oxyde de métal 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 des bandes passantes particulières.

Selon Baba, le dispositif photonique à résonateur annulaire en silicium a acquis un spectre optique « en forme de 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.

Alors que le dispositif développé comprend un anneau, plusieurs pourraient être empilés pour produire des effets en cascade et caractériser rapidement les signaux de fréquence optique.

De manière critique, a déclaré Baba, leur plate-forme, même avec des anneaux empilés, est beaucoup plus petite et compacte que les approches précédentes, qui utilisaient des fibres optiques connectées à divers composants.

« Une plate-forme de puces photoniques en silicium plus évolutive offre une avancée considérable, car elle permet à la photonique avec des dimensions synthétiques de bénéficier de la boîte à outils de fabrication commerciale CMOS mature et sophistiquée, tout en créant les moyens d’introduire des phénomènes topologiques multidimensionnels dans de nouvelles applications de dispositifs. . » « , a déclaré Baba.

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

« Ce travail montre la possibilité que la photonique de dimension topologique et synthétique puisse être utilisée pratiquement avec une plate-forme d’intégration de photonique au silicium », a déclaré Baba. « Ensuite, nous prévoyons de collecter tous les éléments photoniques de dimension topologique et synthétique pour construire un circuit intégré topologique. »


Les dimensions synthétiques permettent une nouvelle façon de construire des isolants topologiques d’ordre supérieur


Plus d’information:
Armandas Balčytis, Structures de bandes dimensionnelles synthétiques sur une plateforme photonique Si CMOS, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abk0468. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk0468

Fourni par l’Université nationale de Yokohama

Citation: Shining a light on Synthetic Dimensions (2022, 28 janvier) récupéré le 29 janvier 2022 sur https://phys.org/news/2022-01-synthetic-dimensions.html

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