Image de simulation numérique montrant la propagation et le guidage des ondes en fausses couleurs.
Photo Institut FEMTO-ST
Guider les ondes lumineuses ou acoustiques est un procédé essentiel en physique, qui trouve des applications dans les domaines de l’électronique, des télécommunications ou encore du biomédical. Les cristaux phononiques sont des matériaux artificiels permettant, lorsqu’on modifie leur structure, de canaliser et de contrôler la propagation des ondes acoustiques.
Ces matériaux font l’objet de recherches à l’Institut FEMTO-ST depuis une quinzaine d’années, recherches qui incluent désormais une dimension topologique : il s’agit de donner de nouvelles propriétés aux cristaux en jouant avec leur symétrie, selon les lois que la topologie applique aux objets géométriques en mathématiques. Le graphène, avec sa structure hexagonale, est la référence en la matière. Mais les chercheurs de FEMTO-ST mettent aujourd’hui en évidence que la structuration carrée d’un cristal permet elle aussi de guider les ondes par un effet topologique, dans une recherche menée avec des collègues de l’IRPHE (Institut de recherche sur les phénomènes hors équilibre) de Marseille et de l’Imperial College de Londres, ouvrant la voie à de nouvelles perspectives.
« Si on tourne des blocs carrés vers la droite et la gauche de manière opposée le long d’un axe de symétrie et selon un angle précis, on crée un canal le long de l’axe dans lequel passent les ondes », explique Vincent Laude, directeur du département MN2S.
Le phénomène a été vérifié à la surface de l’eau, où la propagation des ondes devient visible sous forme de vagues.
Les expériences réalisées par Nicolas Laforge, doctorant à MN2S sous la codirection de Muamer Kadic, ont démontré la possibilité de guider une vague en ligne droite grâce à la disposition de carrés reproduisant la maille d’un cristal.
« L’intérêt du guidage topologique est qu’il est moins sensible aux imperfections qui peuvent être générées dans le canal, optimisant ainsi le guidage de l’onde pour atteindre des transmissions proches de 100 %. »
Cette avancée permet en outre de s’affranchir de la structure hexagonale du graphène, et rend possibles de nouveaux choix de matériaux et de structures pour l’ingénierie des cristaux.
