Newswise — Une source lumineuse ultracompacte à polarisation circulaire est un composant crucial pour les applications de traitement de l’information en optique classique et quantique. Le développement de ce domaine repose sur les avancées de deux domaines, à savoir les matériaux quantiques et les cavités optiques chirales. Les approches conventionnelles pour la photoluminescence à polarisation circulaire souffrent d’une émission à large bande incohérente, d’un DOP limité et de grands angles de rayonnement. Leurs applications pratiques sont limitées par une faible efficacité et un gaspillage d’énergie dans des directions d’émission et de direction indésirables. Les microlasers chiraux peuvent avoir de grands DOP et une sortie directionnelle, mais uniquement dans des plages de puissance spécifiques. Plus important encore, leurs performances sous le seuil chutent considérablement. Jusqu’à présent, la stratégie de contrôle simultané de l’émission spontanée chirale et du laser chiral est toujours absente.
Dans un nouvel article publié dans La sciencedes chercheurs de l’Institut de technologie de Harbin et de l’Université nationale australienne utilisent la physique des états quasi liés chiraux dans le continuum (BIC) et démontrent l’émission efficace et contrôlable de lumière polarisée circulairement à partir de métasurfaces résonnantes.
Les BIC avec une charge topologique entière dans l’espace d’impulsion et un facteur Q théoriquement infini ont été explorés pour de nombreuses applications, notamment l’optique non linéaire et le laser. En introduisant une asymétrie dans le plan, les BIC deviennent des quasi-BIC avec des facteurs Q finis mais toujours élevés. Fait intéressant, la charge topologique entière du mode BIC se diviserait en deux charges demi-entières, qui se répartissent symétriquement dans l’espace d’impulsion et correspondent aux états de polarisation circulaire gauche et droite, également appelés points C.
Aux points C, la lumière incidente avec un état de polarisation circulaire peut être couplée dans les nanostructures et produire des champs électromagnétiques locaux considérablement améliorés. L’autre état de polarisation est découplé et transmet presque parfaitement. De telles caractéristiques sont bien connues mais rarement appliquées aux émissions lumineuses. “C’est principalement parce que les points C s’écartent généralement du bas de la bande. Ils ont un facteur Q relativement faible et ne peuvent pas être excités par des actions laser », explique Zhang.
Pour réaliser l’émission de lumière chirale, une étape clé consiste à combiner la densité locale d’états avec la chiralité intrinsèque aux points C. Si un point C est décalé vers le bas de la bande, le facteur Q du quasi-BIC chiral correspondant peut être maximal. Selon la règle d’or de Fermi, le taux de rayonnement d’une émission spontanée polarisée circulairement est amélioré, tandis que l’autre polarisation est inhibée. Le facteur Q et le taux de rayonnement diminuent considérablement avec l’angle d’émission. En conséquence, une émission de lumière de haute pureté et hautement directionnelle peut être attendue près du point Γ. “Bien sûr, l’autre point C peut supporter une chiralité élevée similaire avec une main opposée. Cependant, ce point s’écarte également du facteur Q maximal et est moins amélioré. Par conséquent, notre métasurface ne produit qu’une seule polarisation circulaire proche de l’unité avec une directivité élevée autour de la direction normale », explique Zhang.
Le contrôle des points C dans l’espace des impulsions est étroitement lié à la maximisation de la chiralité dans la direction normale. En principe, la réalisation de la chiralité concerne la rupture simultanée des symétries de réflexion miroir dans le plan et hors du plan. Dans cette recherche, les chercheurs ont introduit une asymétrie hors plan, l’inclinaison des nanostructures. Pour une asymétrie dans le plan, il existe une asymétrie hors du plan qui peut déplacer un point C vers un point Γ. « Nous constatons que deux types d’asymétries dépendent linéairement l’une de l’autre. Cela rend l’optimisation de la chiralité dans la direction normale très facile », explique Zhang.
Dans le cadre d’une expérience, les chercheurs ont fabriqué les métasurfaces avec un processus de gravure ionique réactive inclinée en une étape et ont caractérisé les émissions. Sous l’excitation d’un laser nanoseconde, ils ont réussi à démontrer les émissions chirales avec un DOP de 0,98 et un angle de divergence en champ lointain de 1,06 degré. “Notre source de lumière circulaire est réalisée avec le contrôle du point C dans l’espace d’impulsion et la densité d’état locale. Il est indépendant de la puissance d’excitation “, déclare Zhang, ” c’est la raison pour laquelle nous pouvons obtenir un Q élevé, une directivité élevée et une émission de polarisation circulaire de haute pureté, de l’émission spontanée au laser.
Par rapport aux approches conventionnelles, le quasi-BIC chiral offre un moyen de modifier et de contrôler simultanément les spectres, les diagrammes de rayonnement et le moment cinétique de spin de la photoluminescence et du laser sans aucune injection de spin. Cette approche peut améliorer la conception des sources actuelles de lumière chirale et stimuler leurs applications dans les systèmes photoniques et quantiques.
