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Lev Landau, prix Nobel de physique 1962, théoricien des superfluides - notamment de l'hélium liquide- avait décrit un phénomène inédit lors de la propagation d'ondes acoustiques dans l'hélium-4 superfluide: l'apparition d'un minimum de la relation de dispersion, c'est-à-dire dans la courbe qui représente la fréquence de l'onde en fonction du nombre d'onde (inverse de la longueur d'onde). A la fréquence correspondant à ce minimum, la vitesse de groupe de l'onde s'annule et sa direction s'inverse.
Une relation de dispersion donne la fréquence en fonction du nombre d'onde (inverse de la longueur d'onde). La figure montre la relation de dispersion mesurée expérimentalement pour (A) le métamatériau acoustique à l'échelle macroscopique et (B) le métamatériau élastique à l'échelle microscopique. En fonction du nombre d'onde, la relation de dispersion est d'abord croissante (propagation vers l'avant), passe par un maximum et devient décroissante (propagation vers l'arrière), passe par un minimum (le roton, pour lequel la vitesse de propagation de l'énergie s'annule) avant de se remettre à croître (propagation vers l'avant, de nouveau). © Femto-ST
Le même phénomène, appelé effet roton, avait été observé lors de la diffusion inélastique de neutrons. Des études théoriques prédisaient aussi son existence dans des métamatériaux, mais cela n'avait jamais été confirmé expérimentalement. C'est chose faite, grâce à des expériences menées par des chercheurs de l'Institut Femto-ST (CNRS/UBFC), en collaboration avec le Karlsruhe Institute of Technology. Les résultats sont publiés dans la revue Science Advances.
Les deux équipes ont mené chacune une expérimentation. Les chercheurs allemands ont observé l'effet roton avec des ondes élastiques ultrasonores dans un métamatériau microscopique, fabriqué par lithographie à deux photons. Les chercheurs français de Femto-ST ont travaillé avec des ondes audibles, dans un métamatériau de taille macroscopique obtenu par impression 3D. Dans les deux cas, le métamatériau est construit en empilant des cellules de base comportant des structures géométriques spécifiques. Ces dernières ont été conçues afin de permettre un couplage des ondes qui les traversent jusqu'au troisième voisin (entre les cellules n et n+3), condition nécessaire à la production de l'effet roton (voir illustration).
Les deux dispositifs ont montré la possibilité de ''geler'' la propagation de l'onde pour une certaine fréquence, ce qui correspond au minimum de la relation de dispersion (voir la figure). Ces résultats permettent d'envisager à plus long terme de nouveaux dispositifs de contrôle de la propagation d'ondes, y compris dans d'autres domaines, comme les ondes électromagnétiques.
Le métamatériau 3D est fabriqué à l'échelle microscopique par lithographie à deux photons dans un matériau photo-polymère. L'image prise au microscope optique confocal à fluorescence montre une succession périodique de cellules élémentaires. Les cellules sont couplées jusqu'au troisième voisin (la cellule n est couplée aux cellules n+1 et n+3) afin d'obtenir la relation de dispersion de type roton. © KIT.
Références:
Experimental observation of roton-like dispersion relations in metamaterials
Julio Andrés Iglesias Martínez, Michael Fidelis Groß, Yi Chen, Tobias Frenzel, Vincent Laude, Muamer Kadic, Martin Wegener.
Science Advances, 1 Décembre 2021,Vol 7, Issue 49.
doi.org/10.1126/sciadv.abm2189
Contacts:
- Muamer Kadic - Directeur de recherche CNRS à l'Institut FEMTO-ST (CNRS/UBFC) - muamer.kadic at femto-st.fr
- Vincent Laude - Directeur de recherche CNRS à l'Institut FEMTO-ST (CNRS/UBFC) - vincent.laude at femto-st.fr
- Communication INSIS - insis.communication at cnrs.fr