Une transmission des ondes meilleure dans les réseaux non-réciproques que dans les isolants topologiques

Réseau non-réciproques en nid d’abeilles, dont les noeuds sont des circula

Réseau non-réciproques en nid d’abeilles, dont les noeuds sont des circulateurs

Ces dernières années, la recherche de nouvelles phases topologiques de la matière a stimulé le développement de nouvelles plateformes pour la manipulation des ondes classiques, notamment électromagnétiques ; c’est le domaine de la photonique topologique. Par analogie directe avec les électrons dans des matériaux quantiques topologiques, des ondes classiques topologiques peuvent y être induites. Dans certains cas, celles-ci peuvent se propager le long du bord du matériau sans être réfléchies, assurant une propagation idéale. Ces propriétés remarquables étaient jusqu’ici toutefois obtenues, dans le meilleur des cas pour de petites perturbations, et dans le pire des cas lorsque certaines symétries des composants du matériau doivent être ajustées, rendant l’effet malheureusement très sensible au désordre.

Dans des réseaux non-réciproques, constitués de multiples ’’circulateurs’’ reliés les uns aux autres, et qui privilégient localement les ondes à circuler selon une certaine orientation, à la manière d’un rond point, il est possible de réaliser non seulement l’analogue électronique d’une phase topologique où des modes de bord se propagent dans une seule direction, mais également une phase dite ’’anormale’’, prédite il y a quelques années dans des systèmes quantiques forcés périodiquement, mais difficile d’accès dans les solides. Il devient alors possible de comparer les propriétés de transport dans ces deux régimes topologiques distincts.

Cette étude - qui allie des réalisations expérimentales et des simulations numériques réalisées à l’EPFL avec une analyse théorique développée ces dernières années au LPENSL sur la topologie des opérateurs unitaires - montre que le régime topologique anormale est beaucoup moins sensible à certains désordres que la phase topologique traditionnelle. Par exemple, lorsque les chemins entre circulateurs sont complètement aléatoires, la transmission à travers le réseau s’effondre dans la phase topologique traditionnelle, mais se maintient remarquablement proche de 1 dans la phase anormale. 

Ces résultats ouvrent la voie à l’utilisation de la topologie pour mieux diriger le flux d’énergie dans les circuits hyperfréquences et ainsi se soustraire au problème d’adaptation d’impédance qui limite la manipulation de signaux ondulatoires. À court terme, l’effet d’autres formes de désordres de type graphes aléatoires, pour lesquels une première analyse théorique a été menée eu LPENSL, pourra être menée numériquement et expérimentalement sur le même types de systèmes micro-ondes.

Référence :   Superior robustness of anomalous non-reciprocal topological edge states . Zhe Zhang, Pierre Delplace & Romain Fleury. Nature volume 598, pages 293-297 (2021).

Lire l’article sur arXiv.


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