Plus rapide qu’on ne peut l’expliquer : les cristaux temporels photoniques pourraient révolutionner l’optique

Les chercheurs ont produit des cristaux temporels de photons dans le spectre proche du visible, ce qui pourrait révolutionner les applications scientifiques de la lumière. Cette réalisation étend la gamme connue des PTC, qui n’étaient visibles que dans les ondes radio.

Une étude récente a révélé des oscillations de l’indice de réfraction plus rapides que ne peuvent l’expliquer les théories actuelles.

Une étude récemment publiée dans la revue nanophotonique Il révèle qu’en ajustant rapidement l’indice de réfraction, qui est le rapport entre la vitesse du rayonnement électromagnétique dans un milieu et sa vitesse dans le vide, il est possible de produire des cristaux temporels photoniques (CTP) dans la partie presque visible de l’objet. le spectre.

Les auteurs de l’étude suggèrent que la capacité à préserver les PTC dans le champ visuel pourrait avoir de profondes implications pour la science de la photonique, permettant ainsi des applications véritablement révolutionnaires à l’avenir.

Les PTC, matériaux dont l’indice de réfraction augmente et diminue rapidement avec le temps, sont l’équivalent temporel des cristaux photoniques dans lesquels l’indice de réfraction oscille périodiquement dans l’espace provoquant, par exemple, l’irisation des métaux précieux et des ailes d’insectes.

Configuration expérimentale pour réfractomètre temporel dans un système à cycle unique. Crédit : Iran Lustig et al.

Les PTC ne sont stables que si l’indice de réfraction peut augmenter et diminuer en fonction d’un cycle d’ondes électromagnétiques à la fréquence en question. Par conséquent, il n’est pas surprenant que les PTC aient jusqu’à présent été observées à l’extrémité inférieure de la fréquence électromagnétique. spectre : avec les ondes radio.

Dans cette nouvelle étude, l’auteur principal Mordechai Segev de l’Institut de technologie Technion-Israël, Haïfa, Israël, ainsi que les collaborateurs Vladimir Shalev et Alexandra Boltseva de l’Université Purdue, Indiana, États-Unis, et leurs équipes ont envoyé des données extrêmement courtes (5-6 femtosecondes) impulsions de lumière Lasers d’une longueur d’onde de 800 nm à travers des matériaux d’oxyde conducteur transparents.

Cela a provoqué un changement rapide de l’indice de réfraction qui a été exploré avec un faisceau laser sonde à une longueur d’onde légèrement plus longue (proche infrarouge). Le faisceau de la sonde s’est rapidement décalé vers le rouge (augmentant sa longueur d’onde), puis vers le bleu (diminution de la longueur d’onde) à mesure que l’indice de réfraction du matériau retombait à sa valeur normale.

Spectrogrammes de transmission d’impulsions de sonde de 44 fs traversant un échantillon ITO, modulant des impulsions de différentes largeurs temporelles. Crédit : Iran Lustig et al.

Le temps nécessaire pour chacun de ces changements d’indice de réfraction était minime (moins de 10 femtosecondes), donc dans le cycle unique nécessaire pour former un PTC stable.

« Les électrons excités à haute énergie dans les cristaux ont généralement besoin de dix fois plus de temps pour revenir à leur état fondamental, et de nombreux chercheurs pensent que la relaxation ultra-rapide que nous observons ici serait impossible », a déclaré Segev. « Nous ne comprenons pas exactement comment cela se produit. »

Le co-auteur Shalev note également que la capacité à préserver les PTC dans le domaine optique, comme démontré ici, « ouvrira un nouveau chapitre dans la science de la photonique et permettra des applications véritablement révolutionnaires ». Cependant, nous savons peu de choses sur ce que cela pourrait être, puisque dans les années 1960, les physiciens connaissaient les applications potentielles des lasers.

Référence : « Optique réfractive temporelle avec modulation à cycle unique » par Iran Lustig, Ohad Segal, Soham Saha, Eliyahu Bordo, Sarah N. Chowdhury, Yonatan Sharabi, Avner Fleischer, Alexandra Boltseva, Oren Cohen, Vladimir M. Shalev et Mordechai Segev, 31 mai 2023, nanophotonique.
DOI : 10.1515/nanov-2023-0126

La recherche a été financée par la Fondation allemande pour la recherche.