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ingénierie des modes d’une chaîne de résonateurs publiée dans Nature Communications

Une collaboration entre une équipe du LPMC et une équipe de l’Université de Lancaster (UK) a donné lieu à un travail publié dans la revue Nature Communications. Dans l’article intitulé « Selective enhancement of topologically induced interface states in a dielectric resonator chain », les chercheurs montrent comment la combinaison de deux concepts physiques, celui d’états topologiques et celui de symétrie « parité-temps », permet une véritable ingénierie des modes d’une chaîne de résonateurs micro-ondes couplés.

Les chercheurs ont repris le modèle SSH (Su–Schrieffer–Heeger), célèbre pour avoir donné la première interprétation de la conductivité des molécules organiques comme le polyacétylène, en y introduisant des pertes localisés. En pratique, ils ont construit une chaîne présentant une alternance de couplages forts et faibles mais possédant un défaut : le résonateur central est relié par un couplage faible à ses deux voisins. Sans défaut la chaîne possède un gap ; le défaut fait apparaître un mode au centre du gap, qui ne « vit » que sur un des deux sous-réseau (un des deux sites de chaque dimère). De part et d’autre du défaut la chaîne est caractérisée par un nombre topologique différent, ceci induit une robustesse particulière au mode face à une perturbation comme un désordre de structure. Cette robustesse est illustrée en introduisant du désordre dans la chaîne et en comparant avec un mode de défaut d’une chaîne régulière (sans gap). À la condition que la symétrie chirale ne soit pas brisée, c’est-à-dire que l’on puisse toujours identifier deux sous-réseau, soit en pratique que l’alternance couplage fort – couplage faible soit maintenue, le mode est insensible au désordre, alors qu’un mode de défaut dans une chaîne régulière est fortement dégradé même par des désordres faibles.

Les chercheurs ont ensuite introduit dans la chaîne SSH, avec défaut, des pertes localisées sur le sous- réseau non visité par le mode de défaut (en pratique en déposant des disques d’élastomères sur les résonateurs diélectriques de ce sous-réseau). On trouve une même approche en photonique où des travaux récents ont montré comment un réseau de guides couplés présentant alternativement des pertes et des gains possèdent des modes guidés inédits et particulièrement robustes. Ici, l’un des sous-réseau ne subit que les faibles pertes dans les diélectriques, l’autre est fortement atténué. Sans le défaut, la symétrie de parité (P) par rapport au centre et le renversement du temps (T), qui consiste à inverser gain et perte (faibles et fortes pertes) est préservée. Le défaut brise explicitement cette symétrie, le mode associé ne possède donc pas de partenaire par la symétrie PT et peut être manipulé indépendamment des autres modes. Il a effectivement été mis en évidence qu’en présence de pertes le mode topologiquement protégé est celui qui domine le spectre. Des mesures de transmission dans la chaîne ont confirmé que seul ce mode contribuait au transport. Cette expérience de « preuve de principe », effectuée dans le domaine des micro-ondes, ouvre une voie vers l’ingénierie des propriétés topologiques du réseau et de la symétrie PT pour des applications photoniques.

Mots-clés

MOSAIQ, (Enseignants-)Chercheurs, Physique Mésoscopique

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