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Jun 09, 2023

Une vis d'Archimède pour la lumière

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 2523 (2022) Citer cet article 3980 Accès 12 Citations 3 Détails d'Altmetric Metrics Une correction de l'éditeur à cet article a été publiée le 3 août

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 2523 (2022) Citer cet article

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Une correction de l'éditeur à cet article a été publiée le 3 août 2022.

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Une vis d'Archimède capte l'eau et lui injecte de l'énergie en l'élevant à un niveau supérieur. Nous présentons le premier exemple d'une vis d'Archimède optique et démontrons comment ce système est capable de capturer la lumière, de la faire glisser et de l'amplifier. Nous dévoilons de nouvelles solutions analytiques exactes aux équations de Maxwell pour une large famille de milieux spatio-temporels chiraux, et montrons leur potentiel pour réaliser une amplification chiralement sélective au sein de phases brisées en temps de parité largement réglables. Nos travaux, qui peuvent être facilement mis en œuvre via des expériences pompe-sonde avec des faisceaux polarisés circulairement, ouvrent une nouvelle direction dans la physique des milieux variant dans le temps en fusionnant le domaine émergent des métamatériaux spatio-temporels et celui des systèmes chiraux, et offre une nouvelle terrain de jeu pour la photonique topologique et non hermitienne, avec des applications potentielles à la spectroscopie et à la détection chirales.

Les aspects fondamentaux des interactions des ondes dans les systèmes dépendants du temps ont récemment suscité un regain d'intérêt, grâce à la découverte de matériaux ultrafins et hautement non linéaires. Libérés de contraintes telles que la réciprocité et la conservation de l’énergie, ces systèmes peuvent permettre des comportements de vagues nouveaux et exotiques. Dans ce travail, nous ouvrons une nouvelle direction dans le domaine émergent des métamatériaux spatio-temporels en le mélangeant pour la première fois avec le domaine établi des systèmes chiraux, réalisant ainsi l'analogue électromagnétique de la célèbre vis d'Archimède pour les fluides.

L'importance des milieux variables dans le temps pour la manipulation des ondes est née de plusieurs propositions au cours d'une décennie de quête pour parvenir à une non-réciprocité sans aimant, à la fois en photonique1,2,3 et avec les ondes mécaniques4,5. La structuration temporelle de la matière ouvre plusieurs nouvelles voies pour le contrôle des ondes : des modulations périodiques des paramètres du matériau peuvent permettre la conception de phases topologiquement non triviales6 ainsi que d'isolateurs topologiques Floquet7 et d'isolateurs topologiques avec des dimensions de fréquence synthétiques8. De plus, une adaptation appropriée de la dépendance temporelle des éléments réactifs peut permettre une accumulation arbitraire d’énergie9, tandis que l’introduction d’éléments non hermitiens modulés dans le temps peut conduire à un pilotage et un gain de mode non réciproques10, ainsi qu’à un masquage d’événements et à une absorption parfaite11, et couplage d'ondes de surface sur des interfaces spatialement plates12. Dans les systèmes non périodiques, la commutation brusque est la clé de nouvelles directions telles que l'inversion du temps13, la réfraction temporelle14 et le routage des ondes induit par l'anisotropie15, ainsi que la conversion de fréquence16,17,18, l'amélioration de la bande passante19 et la localisation d'Anderson20.

De plus, s'appuyant sur la combinaison de degrés de liberté spatiaux et temporels, les métamatériaux spatio-temporels, dont les paramètres sont modulés de manière à ondes progressives21,22,23,24,25, ont récemment acquis un nouvel élan à la fois pour des raisons fondamentales, comme ils permettent d'imiter et de généraliser le mouvement physique au-delà des contraintes relativistes communes, conduisant à une traînée optique26, à une localisation27 et à de nouveaux mécanismes d'amplification28,29, ainsi qu'à des applications pratiques telles que la génération d'harmoniques30, l'orientation de faisceau31 et la combinaison de puissance à partir de sources multiples32. Les expériences réussies de modulation spatio-temporelle incluent des travaux en acoustique5,7,33 et en élasticité34, en micro-ondes3,30, dans l'infrarouge35 et même en systèmes diffusifs36, et elles ont récemment commencé à se rapprocher du domaine optique37 grâce à l'introduction de nouveaux matériaux hautement non linéaires tels que comme ITO38 et AZO39. Enfin, des schémas d'homogénéisation ont récemment été développés pour les métamatériaux temporels40,41 et spatio-temporels42.

Un domaine de recherche multidisciplinaire plus ancien, mais toujours répandu, est celui des systèmes chiraux (on notera que le terme « chiral » est également utilisé pour désigner un milieu à couplage bianisotrope. Mais ici, nous nous référons uniquement à son caractère hélicoïdal, et propriétés de dichroïsme circulaire associées). En raison de ses applications technologiques cruciales, allant de la technologie d'affichage à la spectroscopie et à la biodétection, l'étude mathématique des systèmes électromagnétiques chiraux remonte à plusieurs décennies43, les observations expérimentales de l'activité optique remontant bien plus loin que les premières observations de Biot et Pasteur au XIXe siècle44. . Les théories des milieux chiraux ont été appliquées avec succès à l'étude des cristaux liquides cholestériques45, ainsi qu'à diverses structures naturelles46 et, depuis l'avènement des métamatériaux, à la réfraction négative47,48,49, à l'activité optique à large bande et améliorée50, à la transmission asymétrique51, 52,53 et, plus récemment, la topologie54.