Université de Franche-Comté

Du bronze pour l’acoustique

Les cristaux phononiques servent à filtrer et guider les ondes acoustiques. À une dimension micrométrique, ils sont la spécialité de Sarah Benchabane qui remporte une médaille de bronze CNRS 2012 pour ses travaux de recherche et enrichit ainsi le palmarès de l'Institut FEMTO-ST.

 

 

Tremblement de terre ou vibration de phonons à l'échelle de l'atome, la longueur des ondes acoustiques impliquées dans ces phénomènes se décline du mètre à quelques angströms. À l'intérieur de cet immense spectre, Sarah Benchabane s'intéresse plus particulièrement aux valeurs micro- et nanométriques correspondant aux fréquences GHz utilisées dans le domaine des télécommunications. Ses recherches au sein du département MN2S de l'Institut FEMTO-ST lui valent une médaille de bronze 2012, décernée par l'Institut des sciences de l'ingénierie et des systèmes du CNRS.

 

« Mes travaux concernent essentiellement les cristaux phononiques, qui sont au domaine acoustique ce que les cristaux photoniques sont à l'optique » explique la jeune chercheuse. Dans les deux cas, l'idée est de contrôler la propagation des ondes transmises par une source en ouvrant des bandes interdites, c'est-à-dire en empêchant l'onde de se propager dans une gamme de fréquence bien définie. Un cristal parfait agit comme un miroir et réfléchit intégralement l'énergie. Insérer des « défauts » dans sa structure permet d'y piéger l'énergie.

 

Ondes interdites

Un cristal phononique est composé d'au moins deux matériaux qui présentent des contrastes de rigidité et de densité importants. Le principe est basé sur celui du miroir de Bragg : une superposition de plaques de matériaux différents permet de réfléchir efficacement les ondes acoustiques. Les cristaux phononiques étendent ce concept planaire à deux dimensions en remplaçant l'empilement de plaques par des piliers, voire à trois dimensions grâce à des billes ou au perçage de trous pour une réflexion omnidirectionnelle.

 

À FEMTO-ST, le groupe phononique travaille beaucoup à partir de niobate de lithium ou de silicium, denses et rigides, dans lesquels les ondes se propagent vite. L'air, à l'inverse, est un fluide dans lequel la propagation des ondes, à basses fréquences, est lente : le contraste est important. À hautes fréquences, les ondes ne se propagent quasiment pas et le contraste est proche de l'infini. En perçant des trous dans une structure pour que l'air y pénètre, on crée le contraste nécessaire à l'ouverture de bandes interdites.

 

À l'échelle micrométrique, il est avantageux de disposer d'une source génératrice d'ondes à l'intérieur même du cristal. Utiliser un matériau piézoélectrique, à qui la simple application d'une tension permet de générer un signal, s'avère idéal. Le niobate de lithium présente cet avantage, entre autres propriétés physiques intéressantes. Mais son usinage délicat lui fait souvent préférer le silicium, sur lequel on dépose une couche mince piézoélectrique pour lui conférer cette fonctionnalité.

 

L'acoustique et l'optique à nouveau réunis

Dans le domaine du GHz, l'acoustique et l'optique sont sur la même longueur d'onde et cherchent à produire des cristaux mêlant leurs compétences respectives. Comment les ondes acoustiques et optiques peuvent-elles interférer les unes sur les autres ? Cette question sous-tend le travail de Sarah Benchabane qui, avec d'autres chercheurs également convaincus, remet au goût du jour l'acousto-optique, née à la fin du XIXe siècle puis tombée en désuétude jusqu'à l'avènement du laser dans les années 1960. Les ondes acoustiques se révèlent alors précieuses pour orienter les faisceaux laser, un contrôle que l'électronique ne pouvait opérer sur les photons puisqu'ils sont dénués de charge électrique.

 

Mélanger cristaux phononiques et photoniques signifie piéger les deux énergies, acoustique et optique, dans des volumes de quelques micromètres, dans l'idée de produire des interactions très fortes. Un concept à confirmer pour mettre au point, par exemple, des capteurs de très petite masse.

 

Sarah Benchabane, quant à elle, a fait la preuve de la qualité de ses recherches. La prestigieuse médaille CNRS lui sera remise au cours d'une cérémonie prévue le 14 décembre prochain à Besançon.

 

Faisant écho à cette récompense, les travaux de Rayisa Moiseyenko portant sur la diffraction dans les cristaux phononiques ont retenu l'attention du jury du prix A'Doc, dont la jeune doctorante devient une lauréate au titre de l'année 2012.

 

Des résultats prometteurs pour un domaine de recherche en plein essor.

 

 

Contact : Sarah Benchabane

Département MN2S — Micro nano sciences et systèmes

Institut FEMTO-ST

Université de Franche-Comté / ENSMM / UTBM / CNRS

Tél. (0033/0) 3 81 85 39 26

 

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