Un microlaser émettant de la lumière hélicoïdale
Publié par Adrien le 30/06/2019 à 08:00
Source: CNRS INP
Des physiciens ont réalisé un laser intégré dont l'architecture innovante permet d'émettre de la lumière dans des états chiraux, produisant ainsi comme des "tire-bouchons" de lumière. Cette technique devrait notamment permettre d'améliorer l'encodage de l'information.

Un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) est dit chiral s'il est possible de le distinguer de son image miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche...). Avec leur forme hélicoïdale, les tire-bouchons en sont un excellent exemple. De tels objets chiraux sont omniprésents dans la nature, des galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres Galaxie, cette fois au singulier.) en rotation à la double hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme d'hélice est dit hélicoïdal.) de l'ADN. La chiralité (La chiralité (du grec ch[e]ir~ - main~) est une importante propriété d'asymétrie dans diverses branches de la science. Un objet ou un système est...) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...) peut être définie lorsque la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de son front d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) s'enroule autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5...) de l'axe de propagation. Dès les années 90, il a été reconnu qu'une telle caractéristique chirale de la lumière, appelée le moment cinétique orbital (Le moment cinétique orbital est un concept de la mécanique quantique. C'est un cas particulier de moment cinétique quantique.) (MCO), pourrait être avantageuse technologiquement. En effet, le MCO représente un degré de liberté (La notion de degré de liberté recouvre plusieurs notions en sciences et ingénierie :) illimité, puisque la phase du front d'onde peut théoriquement s'enrouler un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) arbitrairement grand de fois au cours d'une période optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.). Il offre donc une base plus grande pour encoder l'information par rapport aux états de polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait...) habituellement utilisés, qui sont limités à une base bidimensionnelle. Encoder l'information dans une telle base de grande dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son...) permettrait d'augmenter de beaucoup l'efficacité des protocoles de communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la...), à la fois classiques et quantiques. En outre, transférer de grandes valeurs de moment cinétique à des objets massifs représente un avantage très puissant pour les techniques de manipulation optique à l'échelle atomique, comme les pinces optiques.


En haut: Image en microscopie électronique à balayage de cavités laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain...) hexagonales formées de six micropiliers couplés fabriquées au C2N ; l'image en haut à droite représente schématiquement les couches en semiconducteurs au sein de chaque micropilier avec deux miroirs et un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en...) actif, le puits quantique ;
En bas: représentation graphique de la lumière émise dans des états chiraux dans les cavités lasers hexagonales, produisant des "tire-bouchons" de lumière. © C2N (CNRS/Univ. Paris-Sud) / N. Carlon Zambon

Des chercheurs du Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N, CNRS/Univ. Paris-Sud) à Palaiseau, avec des collaborateurs du laboratoire Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) des lasers, atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...) et molécules (PhLAM, CNRS/Univ. Lille) à Lille et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un...) Pascal (CNRS/SIGMA Clermont/Univ. Clermont Auvergne) à Clermont-Ferrand, ont récemment réalisé un laser intégré dont l'architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) novatrice permet d'émettre la lumière dans des états chiraux, produisant ainsi des tire-bouchons de lumière (voir l'image ci-contre). L'avantage de leur design (Le design (la stylique en français) est un domaine visant à la création d'objets, d'environnements ou d'œuvres graphiques, à la fois fonctionnels, esthétiques et conformes aux impératifs d'une production...) est qu'il permet de contrôler la chiralité de ces tire-bouchons (d'horaire à antihoraire) à l'aide de techniques optiques simples. Leurs travaux ont été publiés dans la revue Nature Photonics.

Pour générer ces états de lumière chiraux, les scientifiques ont utilisé une approche fondée sur deux principaux éléments. Premièrement, ils ont fabriqué une cavité laser hexagonale formée de six micropiliers couplés. Grâce à la symétrie de rotation de la cavité, les modes résonants présentent des valeurs bien précises de MCO. Deuxièmement, pour favoriser l'émission uniquement dans un mode horaire ou antihoraire, ils ont tiré profit d'un couplage, induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force...) par l'architecture de leur cavité, entre la polarisation et le MCO de la lumière. Ce nouveau type de microlaser permet ainsi de contrôler la chiralité de l'émission (d'horaire à antihoraire) simplement en changeant la polarisation du laser de pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.), contrairement à d'autres dispositifs qui ne peuvent produire que des chiralités horaires, ou antihoraires selon la façon dont ils sont réalisés. L'autre atout majeur est sa taille: il n'existait pas jusqu'à présent de dispositifs "micros" permettant cette chiralité "à la demande".

Cette démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment démontrées...) ouvre la voie vers la réalisation d'une nouvelle génération de micro lasers intégrés et émettant de la lumière chirale à la demande. Les applications potentielles sont nombreuses, par exemple pour le codage (De façon générale un codage permet de passer d'une représentation des données vers une autre.) dans la base du moment cinétique orbital de l'information classique ou quantique, ou encore pour la manipulation de nano-objets grâce à des pinces optiques.

Référence

Optically controlling the emission chirality of microlasers,
N. Carlon Zambon, P. St-Jean, M. Milicevic, A. Lemaître, A. Harouri, L. Le Gratiet, I. Sagnes, O. Bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à une...), D. D. Solnyshkov, G. Malpuech, S. Ravets, A. Amo et J. Bloch,
Nature Photonics, le 18 mars 2019. DOI:10.1038/s41566-019-0380-z.
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