Depuis une quinzaine d'années, une nouvelle voie a été ouverte dans le domaine des ondes acoustiques et de leurs applications : il est possible de modeler la matière pour créer des structures périodiques (les cristaux phononiques*) ayant des propriétés acoustiques très particulières. En effet, il est maintenant possible d'élaborer des structures possédant un comportement discriminant vis-à-vis des fréquences des ondes qui les traversent : certaines sont transmises inchangées, alors que d'autres sont bloquées Ÿ ou interdites Ÿ.
• Les applications sont variées et s'étendent du macro- au microscopique. À l'échelle du mètre, des murs antibruit qui bloquent la transmission des ondes sonores très efficacement peuvent être construits. À l'échelle millimétrique, c'est l'imagerie échographique du corps humain, par exemple, qui est concernée. À l'échelle microscopique, des nouveaux composants mariant microélectronique et ondes acoustiques pourraient voir le jour et étendre les capacités des téléphones portables et des réseaux sans fil. Dans toutes ces applications, il existe une relation directe entre la bande de fréquence concernée et la période de la structure.
• En effet, le principe à la base des cristaux phononiques est l'utilisation des interférences destructives que subissent les ondes au sein d'une structure périodique. Cette propriété peut être obtenue par l'assemblage de deux matériaux différents, avec l'idée que plus ces matériaux ont des propriétés distinctes vis-à-vis de la propagation des ondes, plus les phénomènes d'interférences sont importants. L'objectif revient alors à concevoir des bandes interdites complètes, s'étalant sur une certaine gamme de fréquences. Dans une bande interdite complète, les ondes ne peuvent plus se propager, et ceci quelle que soit leur direction. Le cristal joue le rôle d'un bouclier parfait ou d'une cage inviolable.
• De plus, en créant une cavité au c¶ur d'un cristal phononique, il est possible de piéger l'énergie issue d'une source d'ondes à la fréquence de résonance de la cavité. Peut-être cette technique de confinement des ondes viendra-t-elle un jour améliorer les performances des horloges à quartz actuelles ? Une autre piste de recherche et d'application consiste à répartir dans le cristal une succession de cavités, pour créer un couloir dans lequel les ondes s'engouffrent et sont guidées à travers le cristal. Outre l'intérêt pour le multiplexage des signaux, utile aux télécommunications, on peut ainsi envisager la possibilité de distribuer et de diriger l'énergie acoustique en de multiples points de l'espace.
• Les perspectives de recherche et d'application sont riches, nombreuses et motivantes pour une thématique qui a émergé au début des années 90 à l'université de Lille 1. Il peut paraître surprenant qu'une technologie fondée sur les interférences d'onde se déploie si tardivement. Cependant, la quantité de paramètres à traiter nécessite une conceptualisation théorique importante, des programmes de simulation avides en temps de calcul, et enfin des technologies salle blanche Ÿ pour réaliser les échantillons. Ce n'est que maintenant que les équipements et connaissances des laboratoires peuvent répondre à ces besoins. Et le laboratoire FEMTO-ST est l'un des seuls en France à regrouper toutes ces compétences en un seul lieu.
* Ce nom a été choisi par analogie avec les cristaux photoniques, des structures similaires mais agissant sur la lumière. Du point de vue quantique,un phonon est une vibration élastique élémentaire d'un morceau de matière, tout comme le photon est une particule élémentaire de lumière.
Vincent Laude – Abdelkrim Khelif –
Abdelkrim Choujaa
Département LPMO
Institut FEMTO-ST (UMR 6174)
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