Localisation de la lumière dans des métamatériaux topologiques désordonnés – LOLITOP

Nous utiliserons une plate-forme expérimentale dans le domaine des micro-ondes pour étudier la localisation d'Anderson dans des métamatériaux 2D topologiques et pour démontrer un TAI dans des matériaux gyromagnétiques ou déformés de manière non uniforme. L'activité expérimentale bénéficiera d'un solide support théorique tant au stade de la conception expérimentale que pour l'interprétation des résultats. Une étude théorique visera à étendre l'analyse 2D à des dimensions plus élevées (3D, 4D). En raison de la mise à l’échelle des équations de Maxwell avec la fréquence, nos résultats s'appliqueront au-delà de la gamme de fréquences micro-ondes et ouvriront une porte à de nouvelles conceptions de métamatériaux optiques nanostructurés. Nous allons atteindre différents régimes de propagation dans notre dispositif expérimental composé de résonateurs diélectriques qui peuvent être équipés de patchs d’un matériau magnétique pour contrôler la symétrie par rapport à l'inversion du temps via un champ magnétique externe. La liberté dans le choix de la disposition spatiale des résonateurs permet de concevoir des métamatériaux photoniques à structure ordonnée, désordonnée ou quasi périodique. Les résultats attendus du projet incluent la compréhension de l'effet conjugué de la topologie et du désordre, la description théorique et la réalisation expérimentale du premier TAI photonique 2D basé sur l'utilisation de matériaux gyromagnétiques ainsi que sur une déformation non uniforme de réseau, la description théorique d’un TAI photonique 2D quasi-périodique et l'étude théorique d'un TAI photonique 3D pour motiver de futures expériences.

Résultats attendus:
- Compréhension de l'effet joint du désordre et de la topologie en photonique
- Réalisation expérimentale et modélisation théorique du premier TAI optique en 2D
- Etude théorique de la possibilité de réaliser un TAI optique en 3D

A court terme, le projet LOLITOP devrait avoir un fort impact sur la recherche fondamentale en optique, en électromagnétisme et, plus généralement, sur la propagation des ondes dans les milieux complexes. À moyen terme, nos résultats permettront de faire progresser les connaissances en physique de la matière condensée en général. Enfin, en plus d'aborder des questions fondamentales, le projet LOLITOP contribuera au développement de nouvelles technologies optiques. A long terme, une meilleure compréhension de l'impact combiné du désordre et de la topologie sur la propagation des ondes devrait permettre leur utilisation contrôlée afin de créer des fonctionnalités utiles et ainsi ouvrir la voie vers de futurs matériaux optiques fonctionnels.

S.E. Skipetrov and P. Wulles, Topological transitions and Anderson localization of light in disordered atomic arrays, Phys. Rev. A 105, 043514 (2022)

L'objectif principal du projet LOLITOP est d'étudier l'effet conjugué de la topologie et du désordre pour la lumière dans des métamatériaux bidimensionnels (2D) constitués de résonateurs sub-longueur d'onde. D'une part, le désordre peut induire une phase topologique – l’isolant topologique d'Anderson (TAI). D'autre part, les propriétés des états localisés induits par le désordre et ayant des énergies dans des bandes interdites, peuvent dépendre des indices topologiques des bandes d'énergie adjacentes. Nous utiliserons une plate-forme expérimentale dans le domaine des micro-ondes pour étudier la localisation d'Anderson dans des métamatériaux 2D topologiques et pour démontrer un TAI dans des matériaux gyromagnétiques ou déformés de manière non uniforme. L'activité expérimentale bénéficiera d'un solide support théorique tant au stade de la conception expérimentale que pour l'interprétation des résultats. Une étude théorique visera à étendre l'analyse 2D à des dimensions plus élevées (3D, 4D). En raison de la mise à l’échelle des équations de Maxwell avec la fréquence, nos résultats s'appliqueront au-delà de la gamme de fréquences micro-ondes et ouvriront une porte à de nouvelles conceptions de métamatériaux optiques nanostructurés.

La principale innovation du projet LOLITOP par rapport à l'état de l'art est la prise en compte complète des aspects spécifiques à la photonique (la polarisation de la lumière, la nature résonante de la diffusion, la possibilité de fortes déformations du réseau) dans l'étude de l'impact du désordre sur la propagation de la lumière dans les métamatériaux topologiques. Les principaux verrous scientifiques à lever sont dus aux besoins d'adapter la méthodologie existante aux ondes électromagnétiques vectorielles, et de faire face aux différences fondamentales entre les photons et les électrons: l'absence de charge et la «volatilité» des photons qui peuvent quitter le matériau ou être absorbés par celui-ci. Ces difficultés ouvrent également de nouvelles opportunités grâce à la possibilité de manipuler la polarisation des ondes électromagnétiques (TM ou TE) et de contrôler le nombre de modes autorisés à l'intérieur du métamatériau. Nous exploiterons ces opportunités pour atteindre différents régimes de propagation dans notre dispositif expérimental composé de résonateurs diélectriques qui peuvent être équipés de patchs d’un matériau magnétique pour contrôler la symétrie par rapport à l'inversion du temps via un champ magnétique externe. La liberté dans le choix de la disposition spatiale des résonateurs permet de concevoir des métamatériaux photoniques à structure ordonnée, désordonnée ou quasi périodique. Les résultats attendus du projet incluent la compréhension de l'effet conjugué de la topologie et du désordre, la description théorique et la réalisation expérimentale du premier TAI photonique 2D basé sur l'utilisation de matériaux gyromagnétiques ainsi que sur une déformation non uniforme de réseau, la description théorique d’un TAI photonique 2D quasi-périodique et l'étude théorique d'un TAI photonique 3D pour motiver de futures expériences.

A court terme, le projet LOLITOP devrait avoir un fort impact sur la recherche fondamentale en optique, en électromagnétisme et, plus généralement, sur la propagation des ondes dans les milieux complexes. À moyen terme, nos résultats permettront de faire progresser les connaissances en physique de la matière condensée en général. Enfin, en plus d'aborder des questions fondamentales, le projet LOLITOP contribuera au développement de nouvelles technologies optiques. A long terme, une meilleure compréhension de l'impact combiné du désordre et de la topologie sur la propagation des ondes devrait permettre leur utilisation contrôlée afin de créer des fonctionnalités utiles et ainsi ouvrir la voie vers de futurs matériaux optiques fonctionnels.