Les drôles de vibrations de la matière molle

Publié par Redbran le 30/03/2021 à 13:00
Source: CNRS INSIS
Dans des conditions très particulières, appelées cônes de Dirac, certaines ondes et particules sont conduites sans perte d'énergie à travers de la matière, principalement des structures cristallines très spécifiques. Grâce à un ruban de polymères mous imitant des tissus anatomiques, des scientifiques de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Langevin et du laboratoire PMMH ont observé les premiers cônes de Dirac dans de la matière molle (La matière molle rassemble des états de la matière ou des matériaux connaissant une réponse...), permettant un transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) très efficace d'ondes élastiques. Ces travaux pourraient aider à comprendre comment les vibrations sonores sont converties en signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) électrique dans l'oreille interne (L'oreille interne est une des parties de l'oreille, qui contient non seulement l'organe de...), avant d'être transmises au cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite...).


Vue du ruban de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) molle.© Lanoy et al.

D'abord observés dans la structure hexagonale du graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.), les cônes de Dirac sont des configurations de la matière où les électrons sont transportés comme s'ils n'avaient pas de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...). Ils sont donc conduits sans perte d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...), y compris dans des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) qui sont à l'origine isolants. Ces spécificités provoquent depuis une quinzaine d'années un important engouement scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...), en quête d'autres conditions dans lesquelles des cônes de Dirac peuvent se former. On en a ainsi retrouvé, en plus des électrons, dans le cas d'ondes sonores et optiques.

En observant les vibrations d'un ruban en matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) mou, des chercheurs et chercheuses de l'Institut Langevin (CNRS/ESPCI Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...) - PSL) et du laboratoire Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) et mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) des milieux hétérogènes (PMMH, CNRS/Sorbonne Université/ESPCI Paris - PSL/Université de Paris) ont découvert les premiers cônes de Dirac dans de la matière molle, faisant des ondes élastiques le quatrième exemple où ils peuvent apparaître. Le ruban est inspiré de la membrane basilaire, située au niveau de la cochlée dans l'oreille (L'oreille est l'organe qui sert à capter le son et est donc le siège du sens de...) interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...), étudiée à l'origine pour comprendre comment elle transforme les vibrations du son en un signal électrique pour le cerveau. Ces résultats sont publiés dans la revue PNAS.

Le ruban, fabriqué à partir d'un gel de polymères de silicone (Les silicones, ou polysiloxanes, sont des composés inorganiques formés d'une chaine...), a été placé dans une expérience assez simple, où il a été suspendu et secoué. Une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil...) a permis d'observer finement ses déformations, qui ont ensuite été décortiquées avec des outils physiques et mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide...) plus sophistiqués. Résultat, l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) élastique y existe selon deux modes différents, possédant une même fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) tandis que leur distribution dans l'espace change. Mais selon la manière dont le ruban est suspendu, ces deux états de propagation peuvent se retrouver avec une même fréquence d'excitation, ce qui provoque alors l'apparition d'un cône de Dirac.

En plus de cette découverte, les scientifiques ont constaté que lorsque le ruban était secoué d'une certaine manière, les ondes élastiques ne se propageaient que dans certaines directions malgré la structure symétrique de la matière. D'autres travaux vont être menés pour étudier l'importance de ces phénomènes pour la cochlée et développer ainsi de meilleurs capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) d'ondes élastiques.

Notes:
Post-doctorant à l'Institut Langevin (CNRS/ESPCI Paris) au moment de la publication, aujourd'hui post-doctorant au Laboratoire de physique de l'ENS (CNRS/ENS Paris/Sorbonne Université/Université de Paris)


Références:
Dirac cones and chiral selection of elastic waves in a soft strip.
M. Lanoy, F. Lemoult, A. Eddi & C. Prada.
PNAS, December 1, 2020 117 (48) 30186-30190.
DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2010812117
Lire l'article dans les bases d'archives ouvertes arXiv et HAL.

Contacts:
- Maxime Lanoy - Post-doctorant, Laboratoire de physique de l'ENS (CNRS/ENS Paris/Sorbonne Université/Université de Paris) - maxime.lanoy at gmail (Gmail est un service de messagerie gratuit proposé par Google. Les messages reçus sur un...).com
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INSIS - insis.communication at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...).fr
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