Un big-bang en nanophotonique

Un article publié dans la revue scientifique Science par le groupe du professeur Erez Hasman de la Faculté d’ingénierie mécanique et de l’Institut Russell Berrie pour les nanotechnologies du Technion démontre pour la première fois la transition, en optique, d’un système physique ordonné à un système désordonné à l’échelle nanométrique.

Les recherches du groupe du professeur Hasman s’intéressent au développement de dispositifs optiques à l’échelle nanométrique et à la compréhension de l’interaction entre la lumière et les structures nanométriques. Le but de cette étude, inspirée par le modèle du Big Bang en cosmologie, était d’investiguer la transition optique d’une structure ordonnée à une structure désordonnée, afin de chercher à comprendre le mécanisme de la transition de phase topologique (d’un état ordonné à un état extrêmement désordonné suite à la rupture de la symétrie) à l’échelle nanométrique.

Cette découverte s’apparente à un « Big Bang photonique », c’est à dire un Big Bang à l’échelle nanométrique basé sur la lumière. Ce « Big Bang photonique » a été démontré en utilisant des métasurfaces nanométriques (des composants optiques fonctionnels ultra-minces) basées sur de minuscules antennes en silicone (nano-antennes).
« En utilisant des nano-antennes que nous avons produites en laboratoire, nous avons développé une méthode pour contrôler le désordre dans le système en augmentant l’entropie de celui-ci. La lumière est composée de photons, des particules sans masse, voyageant à la vitesse de la lumière. Chaque photon se comporte comme une toupie qui tourne dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre (propriété appelée spin). La rupture de la symétrie du système entraîne la création de tourbillons optiques (vortex) connus sous le nom de défauts topologiques. Les tourbillons optiques ont été créés à la suite de l’interaction entre une orbite de photon et son spin (dans la terminologie scientifique, on appelle cette interaction une « interaction spin-orbite »). Un phénomène unique a été découvert lors de l’expérience : une augmentation spatiale extrême du nombre de tourbillons optiques et la création de répulsions entre les tourbillons à la suite d’un désordre dans le système », explique le professeur Hasman.

Cette découverte majeure pourrait permettre de mieux comprendre le désordre dans les états solides et aura un impact sur le domaine de la spintronique (ou électronique de spin), une technique qui exploite la propriété quantique du spin des électrons dans le but de stocker des informations.

Définition :

• Entropie : nom donné par Clausius qui caractérise l’état de « désordre » d’un système.

Source : http://science.sciencemag.org/content/358/6369/1411.full

Rédacteur : Guillaume Duret, post-doctorant au Technion