Des cristaux topologiques pour guider les ondes à la surface de l'eau

Publié par Adrien le 13/04/2020 à 09:00
Source: CNRS INSIS
La structure hexagonale, inspirée de celle du graphène, est souvent choisie pour concevoir des isolants topologiques: des matériaux qui guident les ondes. En contrôlant les vagues grâce à un agencement de cubes, des chercheurs du CNRS, des universités de Franche-Comté et d'Aix-Marseille et de l'Imperial College de Londres (Londres (en anglais : London - /?l?nd?n/) est la capitale ainsi que la plus grande ville d'Angleterre et du Royaume-Uni. Fondée il y a plus de 2 000 ans par les Romains, la ville est aujourd'hui...) ont obtenu pour la première fois ce phénomène avec une symétrie carrée. Publiés dans Applied Physics Letters, ces travaux soulignent que la disposition du graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) n'est pas la seule à pouvoir donner des cristaux topologiques à deux dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.).


Observation des vagues à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique,...) de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) guidées à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de...) de deux domaines d'un même cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de cristallographie, tout...) de symétrie carrée. Chaque cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de l'espace. C'est un des cinq solides de Platon, le seul ayant exactement 6 faces, 12...) fait deux centimètres d'arrête.
© FEMTO-ST

Domaine de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) en pleine effervescence, les isolants topologiques sont conducteurs sur leur surface, mais isolants dans leur volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.). Transposée aux ondes, cette propriété permet un guidage très efficace par l'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation...) de la structure des cristaux. Pour faciliter les observations, des expériences peuvent être réalisées à l'échelle macroscopique, où des objets centimétriques sont disposés à intervalles réguliers afin de reproduire la maille d'un cristal. Le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) est ensuite plongé dans de l'eau, où la propagation des ondes (La propagation des ondes est un domaine de la physique s'intéressant aux déplacements des ondes électromagnétiques dans les milieux. On distingue...) devient visible sous la forme de vagues. Les objets y sont généralement agencés selon une symétrie hexagonale, qui est celle que l'on retrouve dans le graphène.

Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) Franche-Comté électronique mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...),...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes physiques, en...) et optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) - sciences et technologies (FEMTO-ST, CNRS/Université technique Belfort-Montbéliard/Université de Franche-Comté/ENSMM), de l'Institut de recherche sur les phénomènes hors équilibre (IRPHE, CNRS/Aix Marseille Université/Centrale Marseille), de l'Imperial College de Londres et de l'unité mixte internationale Abraham de Moivre (CNRS/Imperial College) ont utilisé ce principe pour guider des vagues en ligne droite, mais avec une symétrie carrée.

Le cristal était ici constitué de blocs carrés, inclinés pour moitié vers la droite et l'autre vers la gauche, selon un angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) optimal calculé à l'avance. Si les blocs sont parfaitement alignés, alors le guidage cesse et l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) est complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité...) réfléchie. Les propriétés topologiques des réseaux carrés et hexagonaux sont similaires, mais les premiers peuvent diriger les ondes dans trois directions plutôt que deux. Ces cristaux artificiels pour vagues pourraient servir à la récupération d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), ou au filtrage et au routage (En informatique, le terme routage désigne le mécanisme par lequel les données d'un équipement expéditeur sont acheminées jusqu'à leur destinataire en examinant les informations situées au niveau 3 du modèle...) des ondes dispersives. Les chercheurs étendent à présent leurs études aux ondes acoustiques ultrasonores, typiques de l'imagerie médicale (L'imagerie médicale regroupe les moyens d'acquisition et de restitution d'images à partir de différents phénomènes physiques (Résonance magnétique, réflexion d'ondes ultrasons,...).

Référence:
Experimental observations of topologically guided water waves within non-hexagonal structures,
M.P. Makwana, N. Laforge, R.V. Craster, G. Dupont (DuPont, de son nom complet E.I. du Pont de Nemours et compagnie, est une entreprise américaine, fondée en juillet 1802 à Wilmington, dans le Delaware, par Eleuthère Irénée du...), S. Guenneau, V. Laude and M. Kadic.
Applied Physics Letters (mars 2020)
doi.org/10.1063/1.5141850
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