Configuration « magique » dans les moirés photoniques : la preuve par trois !

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Published on 29 February 2024

Cartes d'intensité (Ez) des modes d'une cavité à trois supercellules à la distance magique. (a) Mode à perte 1, (b) mode à perte 2, et (c) mode quasi-BIC 3. Les modes 1 et 2 sont localisés sur les supercellules de droite et de gauche. Le mode 3 est confiné dans la supercellule du milieu et quasiment sans perte.

Bien connu en optique, l’effet de moiré résulte de la superposition de deux réseaux périodiques légèrement différents. Plus spécifiquement, lorsque les deux réseaux sont commensurables, le moiré apparait comme un réseau infini de « supercellules» de période supérieure à celle des réseaux individuels. En nanophotonique, ces deux réseaux sont structurés à l’échelle de la longueur d’onde ce qui entraîne une modification significative de la relation de dispersion des modes guidés se propageant dans ces structures. En ajustant la position relative des deux réseaux, il est possible d’obtenir des configurations dites « magiques » permettant de confiner la lumière de façon non conventionnelle. Par exemple dans les moirés 1D infini, ces effets se manifestent lorsque la distance entre les deux réseaux prend des valeurs particulières. Ces distances « magiques » induisent l’émergence de modes optiques présentant des bandes d’énergie à dispersion parfaitement plates. À ces énergies, les photons peuvent être ainsi parfaitement confinés et localisés dans chaque supercellule du réseau moiré périodique.

Une équipe de recherche de l’Institut des Nanotechnologies de Lyon (CNRS, École Centrale de Lyon, INSA de Lyon, Université Lyon I, CPE), s’est intéressée à ce phénomène pour tenter de répondre à la question pratique : serait-il possible d’observer un confinement aussi efficace dans une structure moiré finie et si oui, quelle taille minimum devrait avoir le réseau moiré?

Ces recherches ont permis d’élucider le phénomène à l’origine des bandes plates à partir d’un modèle analytique de type liaisons fortes dont les résultats ont été confirmés par des simulations numériques. Nous montrons ainsi que la configuration magique a pour effet d’annuler le couplage entre les supercellules. Les calculs révèlent que lorsque le moiré est réduit à une seule supercellule, la configuration magique n'a plus d'impact sur le confinement du champ électromagnétique. En revanche, lorsque trois supercellules sont connectées en configuration magique, la lumière peut être parfaitement localisée et confinée dans la cellule centrale. Le mode correspondant a un facteur de qualité supérieur à 106 et présente toutes les caractéristiques d'un état quasi lié dans le continuum (« Bound state In the Continuum » ou BIC).

Ce mécanisme de confinement pourrait servir à diverses applications qui demandent une forte exaltation des interactions lumière matière, comme la récupération d’énergie, l’optique quantique, les pinces optiques, les systèmes de détection ou les microlasers.

C. Saadi, H. S. Nguyen, S. Cueff, L. Ferrier, X. Letartre, S. Callard, “How many supercells are required for unconventional light confinement in moiré photonic lattices?” Optica 11, 245-250 (2024).