Premier cristal photonique temporel entièrement optique : une nouvelle approche pour contrôler la lumière

Des chercheurs du Laboratoire des Solides Irradiés (LSI), en collaboration avec le JEIP (Collège de France – PSL), le LPICM, le Laboratoire Albert Fert et le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, ont réalisé la première démonstration entièrement optique d’un cristal temporel photonique fonctionnant aux fréquences térahertz. En utilisant un métamatériau plasmonique dont les propriétés optiques sont modulées de manière périodique et cohérente par une onde électromagnétique, ils observent expérimentalement la transition du métamatériau vers le régime de cristal temporel photonique. Ces travaux ouvrent une nouvelle voie pour le contrôle temporel des interactions lumière-matière et des pertes dans les systèmes plasmoniques.

Pour relever ce défi, les chercheurs ont conçu et étudié un métamatériau constitué de cavités plasmoniques à base d’InSb, un semi-conducteur à faible bande interdite, excité par un champ térahertz périodique. Sous l’effet de cette excitation, la masse effective des porteurs de charge varie dynamiquement en raison de la non-parabolicité de la bande de conduction. Cette modulation modifie l’inductance cinétique des cavités plasmoniques et entraîne une variation périodique de leur fréquence de résonance. Les mesures de spectroscopie pompe-sonde résolues en temps montrent que cette modulation est cohérente, se produit 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 représenter jusqu’à 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, permettant de relier directement les signatures spectroscopiques aux paramètres microscopiques du système.

L’analyse des signatures spectroscopiques met ensuite en évidence la transition du système vers le régime de cristal temporel photonique. Les chercheurs montrent que cette transition est associée à un point exceptionnel, où deux modes optiques pilotés par la modulation périodique fusionnent avant d’évoluer différemment. Cette interprétation, fondée sur la théorie de Floquet, est directement corroborée par les mesures expérimentales. Dans ce nouveau régime dynamique, un phénomène de gain paramétrique apparaît, se traduisant par un rétrécissement de la largeur spectrale d’un des modes. Les mesures révèlent une réduction de plus de 50 % des pertes plasmoniques dans le système. Les auteurs soulignent qu’il s’agit, à leur connaissance, de la première démonstration expérimentale d’une réduction des pertes plasmoniques induite par une modulation paramétrique temporelle.

Crédits : B. Schröder/HZDR

Une onde électromagnétique dans le domaine des Terahertz induit des modulations temporelles rapides et de grande amplitude, donnant naissance à un cristal temporel photonique, c’est-à-dire un réseau cristallin dans le temps pour les photons

Au-delà de cette démonstration, ces travaux établissent une nouvelle plateforme expérimentale pour l’étude des cristaux temporels photoniques entièrement optiques. Ils ouvrent de nouvelles perspectives pour l’ingénierie temporelle de la dissipation et des interactions lumière-matière dans les systèmes plasmoniques. Les auteurs indiquent qu’une optimisation de la géométrie des cavités et des paramètres d’excitation pourrait, selon les prédictions de leur modèle, permettre d’atteindre le régime de laser plasmonique, mais cette possibilité reste à ce stade une perspective théorique.