Des cristaux faits de nœuds de lumière se déploient dans l'espace et le temps

Matériaux avancés

Équipe éditoriale du site web Innovation technologique - 29 août 2025

L'équipe a détaillé la recette complète, de la création des hopfions individuels à leur organisation en matrices 2D, puis en cristaux 3D. [Image : Wenbo Lin et al. - 10.1103/hh5s-cprt]

Cristal espace-temps

Une équipe de Singapour et du Japon a mis au point un moyen d'agencer des motifs de lumière exotiques, similaires à des nœuds lumineux , pour fabriquer des cristaux de lumière, des structures similaires à des solides mais avec des structures cristallines qui se répètent non seulement dans l'espace mais aussi dans le temps.

Cette nouvelle version d'un cristal d'espace-temps , un hybride de cristaux ordinaires et de cristaux temporels , pourrait être créée non pas avec des atomes, mais avec des faisceaux de lumière de deux couleurs différentes, la lumière étant structurée pour créer des textures appelées hopfions .

Les hopfions sont des textures topologiques tridimensionnelles dont les motifs de « rotation » internes s'entrelacent en boucles fermées et interconnectées. Il s'agit essentiellement de solitons enroulés sur eux-mêmes – le nom hopfion étant une contraction de soliton de Hopf – rappelant qu'un soliton est une onde très stable qui ne se brise pas facilement, ne perdant ni son énergie ni sa forme.

Les hopfions ont été théorisés ou observés dans des aimants, dans des champs lumineux et dans des cristaux , mais auparavant ils étaient principalement produits sous forme d'objets isolés.

Wenbo Lin et ses collègues ont désormais compris comment les assembler en réseaux ordonnés qui se répètent périodiquement, comme les atomes d'un cristal, sauf qu'ici le motif se répète à la fois dans le temps et dans l'espace.

Concept d'un cristal d'espace-temps hopfion 3D. [Image : Wenbo Lin et al. - 10.1103/hh5s-cprt]

Des hopfions isolés aux cristaux d'hopfions

La clé de la création de ces cristaux d’espace-temps est un champ lumineux bichromatique – à deux couleurs – dont le vecteur électrique trace un état de polarisation changeant au fil du temps.

En superposant soigneusement des faisceaux de modes spatiaux différents et de polarisations circulaires opposées, l'équipe a défini un « pseudospin » évoluant à une vitesse contrôlée. Lorsque les deux couleurs sont réglées selon un rapport simple, le champ pulse selon une période fixe, créant une chaîne d'hipions qui se répète à chaque cycle.

À partir de cette chaîne unidimensionnelle, les chercheurs ont imaginé un moyen de sculpter des versions d'ordre supérieur dont la force topologique peut être ajustée à la hausse ou à la baisse. Il est possible, par exemple, d'ajuster un entier comptant le nombre de fois que les boucles internes s'enroulent l'une sur l'autre, et même d'inverser son signe en échangeant les deux couleurs de lumière. Dans les simulations informatiques réalisées par l'équipe, les champs obtenus présentent une qualité topologique quasi idéale lorsqu'ils sont intégrés sur une période complète.

L'étape suivante consistera à passer de ces réseaux bidimensionnels à des cristaux 3D complets. Ce résultat sera obtenu grâce à un réseau à champ lointain composé d'un ensemble de minuscules émetteurs dotés d'une phase et d'une polarisation adaptées, fonctionnant tous en deux couleurs rapprochées. Le réseau se divise naturellement en sous-cellules de topologie locale opposée, tout en conservant un motif alterné net.

Utilisations avancées

Tout cela reste encore théorique, mais la recette esquissée par l'équipe mènera rapidement à la construction de cristaux d'espace-temps, d'autant plus qu'ils pourraient avoir de nombreuses applications pratiques à fort impact.

Les textures topologiques, telles que les skyrmions , ont déjà fourni de nombreuses idées pour le stockage de données denses et à faible erreur et le routage de signaux.

L'extension de cet ensemble d'outils aux cristaux d'hopion, en intégrant tout dans le domaine de la photonique , avec la vitesse caractéristique et la faible consommation d'énergie de la lumière, promet de permettre tout, depuis les schémas de codage à haute dimension et les communications plus résistantes aux interférences jusqu'aux nouvelles stratégies de piégeage des atomes et des interactions lumière-matière.

« La naissance des cristaux d'hopions spatiotemporels », écrivent les auteurs, « ouvre la voie à un traitement d'informations topologiques robuste et condensé dans les domaines optique, térahertz et micro-ondes. »

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