Les Points Exceptionnels entrent en scène au-dessus du seuil laser
Dans le domaine de la photonique, les chercheurs sont depuis une quinzaine d’années intrigués par un phénomène connu sous le nom de points exceptionnels (EP). Ces singularités, où à la fois les valeurs propres et les vecteurs propres entrent en collision, se trouvent dans des systèmes à énergie non-conservée –ou non-Hermitiens– et présentent des caractéristiques uniques telles que l'invisibilité unidirectionnelle, le changement de mode chirale, des capacités de détection extraordinaires et l'énigmatique auto-arrêt des lasers.
Dans le contexte de lasers présentant des sections à gain et absorption, les EPs sont traditionnellement confinés sous le seuil laser, où les composantes de gain et de pertes interagissent linéairement avec les photons. Les EP ont désormais pris la vedette au-dessus de ce seuil. Ici, dans le domaine dynamique où l'auto-oscillation laser se produit, les EP adoptent un nouveau rôle en tant que points de bifurcation d'un système dynamique non linéaire. Un point de bifurcation est là où les solutions stationnaires naissent et meurent : par exemple, une "bifurcation en fourche", où une seule solution donne naissance à trois autres solutions, est ce qui se passerait dans un dimer photonique actif idéal, c'est-à-dire, deux cavités identiques sans effets induits par la pompe autre que la production de gain. Dans les systèmes non Hermitiens au-dessus du seuil laser, un tel scénario décrit la transition de phase de brisure parité-temps, lorsque les deux éléments sont pompés de manière asymétrique.
Cependant, les systèmes réels ne sont jamais parfaits ! La question se pose : est-ce que les imperfections de la cavité, qui les rendent non identiques, seront toujours une entrave à la réalisation des EP ? Contrairement à ce qui est habituellement accepté, les chercheurs ont découvert que le désaccord de cavité, loin d'entraver la formation des EP, joue un rôle critique en compensant un effet omniprésent dans les milieux optiques semi-conducteurs : l'effet de l'indice de réfraction induit par les porteurs de charge, qui décale vers le bleu la fréquence de résonance de la cavité lorsque la pompe est augmentée. Par conséquent, il est possible d'équilibrer ces effets "indésirables" au moyen du désaccord linéaire entre les nanocavités afin de rétablir le phénomène des EP. De plus, les chercheurs ont fait une observation significative : le déséquilibre de la pompe varie désormais en fonction de l'intensité optique totale. Cette caractéristique nouvelle est une conséquence directe de la nature saturable du milieu de gain, permet le suivi des EPs et distingue les EPs au-dessus du seuil laser de leurs homologues linéaires.
La mise en évidence des mécanismes dynamiques non linéaires derrière les EP représente une étape importante dans notre compréhension du phénomène. Cependant, cette découverte marque simplement le début d'un nouveau chapitre, débordant d'opportunités à explorer au-dessus du seuil laser. Selon les prédictions des modèles de lasers couplés, les chercheurs anticipent l'émergence de pulsations auto-entretenues près de ces EP, laissant entrevoir le potentiel d'une nouvelle classe de peignes de fréquences à l'échelle des nanolasers… Du potentiel des EP reste encore à être exploité !
Légende figure :
Haut : Dimer de nanolasers formé par deux cavités à cristal photonique à base de Phosphure d’Indium couplées de manière évanescente, avec des puits quantiques intégrés (PQs), excitées optiquement par deux faisceaux laser de puissances différentes P1>P2. Le Point Exceptionnel (EP) dans ce système asymétrique est restauré en diminuant le rayon du trou jaune du côté gauche de la Cavité 1 afin de compenser la décalage vers le bleu de la résonance induit par la pompe. Le désaccord rouge résultant correspond approximativement à deux fois la force de couplage (K) multipliée par le facteur de Henry du milieu de gain des PQs. En bas : intensité de photoluminescence nanolaser résolue spectralement en fonction du déséquilibre de pompage. L'EP ajusté est situé quelque part entre la phase de symétrie non brisée parité-temps (PT) (petit DP, deux modes) et la phase de symétrie brisée (grand DP, un mode), et se déplace vers un déséquilibre de pompage plus important lorsque la puissance totale de pompage est augmentée. Dans le panneau Simulations, un peigne de fréquence est prédit, en raison d'une transition vers l'auto-pulsation des nanolasers couplés.
Lien vers la publication : https://www.nature.com/articles/s41467-023-43874-z