Les cristaux photoniques sont des matériaux spécialement conçus pour guider ou bloquer la propagation de la lumière grâce à une organisation périodique de leur structure dans l'espace. Depuis plusieurs années, les physiciens explorent un concept encore plus original : remplacer cette périodicité spatiale par une modulation périodique dans le temps des propriétés optiques du matériau. On parle alors de cristal photonique temporel. Cette approche théorique pourrait offrir de nouvelles possibilités pour contrôler la lumière, mais sa réalisation entièrement optique représentait jusqu'à présent un défi majeur. Elle nécessite en effet de modifier les propriétés optiques d'un matériau de manière très rapide, avec une modulation cohérente d'amplitude élevée réalisée sur une durée inférieure à un cycle optique.
Un métamatériau plasmonique modulé par un champ térahertz
Pour relever ce défi, les chercheurs du Laboratoire des Solides Irradiés (LSI) du CEA-IRAMIS, en collaboration avec le JEIP, le LPICM, le Laboratoire Albert Fert et le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf ont conçu et étudié un métamatériau constitué de cavités plasmoniques à base d'InSb, un semi-conducteur à faible bande interdite. Lorsqu'il est excité par un champ électromagnétique térahertz périodique, la masse effective des électrons varie dynamiquement, ce qui modifie la fréquence de résonance des cavités. Les expériences montrent que cette modulation reste cohérente à une échelle de temps inférieure au cycle optique et atteint une amplitude particulièrement élevée, correspondant à des variations de la masse effective des porteurs de charge pouvant atteindre 80 % de sa valeur au repos. Les observations expérimentales sont reproduites avec une très bonne précision par un modèle théorique fondé sur la théorie de Floquet, qui décrit le comportement des systèmes soumis à une modulation périodique.
Quand le cristal temporel réduit les pertes optiques
Les mesures révèlent que le système franchit une transition vers le régime de cristal temporel photonique. Cette transition est associée à un point exceptionnel, une situation où deux modes optiques pilotés par la modulation périodique deviennent indissociables avant d'évoluer différemment. Dans ce nouveau régime dynamique, un phénomène de gain paramétrique apparaît et réduit les pertes d'énergie des plasmons, des oscillations collectives des électrons qui permettent de confiner la lumière à l'échelle nanométrique. Les chercheurs observent ainsi une diminution de plus de 50 % des pertes plasmoniques, une réduction jamais démontrée expérimentalement auparavant par une modulation temporelle.
Une nouvelle plateforme pour la photonique du futur
Au-delà de cette première démonstration, cette étude établit une nouvelle plateforme expérimentale pour explorer les cristaux photoniques temporels entièrement optiques. Elle montre qu'il est possible de modifier dynamiquement les propriétés optiques d'un métamatériau grâce à une modulation ultrarapide de la masse effective des porteurs de charge. Cette approche ouvre de nouvelles perspectives pour l'ingénierie temporelle des interactions lumière-matière et de la dissipation dans les systèmes plasmoniques. Les auteurs montrent également, à l'aide de leur modèle théorique, qu'une optimisation de la géométrie des cavités pourrait permettre d'atteindre le régime de laser plasmonique, une perspective qui reste à confirmer expérimentalement.