Voir des détails minuscules de loin avec des ondes ''rebondissantes''

Publié par Redbran le 29/09/2021 à 13:00
Source: CNRS INSIS
Une méthode expérimentée par un chercheur de l'IETR, en collaboration avec ses collègues de l'université de Würzburg et du laboratoire Kastler Brossel, permet de mesurer des détails d'un objet bien plus petit que la longueur d'onde d'illumination, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en restant à distance, de manière non-invasive.


Le dispositif expérimental est constitué d'une cage métallique de géométrie irrégulière. A l'intérieur, 2 antennes émettent et captent une micro-onde (Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire...) de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) 2,463 GHz, dont les réverbérations successives donnent les ondes ''rebondissantes''. L'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) dont il s'agit de mesurer la position avec la meilleure précision possible est placé sur une table tournante. Enfin, la cage contient une métasurface programmable qui permet de modifier la géométrie de la cage.
© Philipp del Hougne, IETR (CNRS/INSA Rennes/Univ. Rennes 1/Univ. Nantes/Centrale Supélec)

La résolution d'un instrument optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) est limitée par le phénomène de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...) de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) électromagnétique: les détails plus petits que la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) λ utilisée ne peuvent être observés. Certains instruments, notamment des microscopes, s'affranchissent de cette limite en mesurant les ondes évanescentes, qui n'existent que très proche de l'objet observé. Cette méthode a donc l'inconvénient d'être très invasive. Un chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) d'électronique et des technologies du numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) (IETR, CNRS/Univ. Rennes 1/INSA Rennes/Univ. Nantes/CentraleSupélec), en collaboration avec ses collègues de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Würzburg (Allemagne) et du laboratoire Kastler Brossel (LKB, CNRS/Sorbonne Université/ENS/Collège de France), propose un autre moyen de voir des détails inférieurs à la longueur d'onde, tout en restant à distance de l'objet.

Leur méthode exploite des ondes "rebondissantes", qui se réfléchissent de multiples fois sur les parois internes d'une cage et sur l'objet qui y est placé. Ce dispositif produit des informations sur l'objet avec une résolution meilleure que la longueur d'onde, et un algorithme d'intelligence artificielle (L'intelligence artificielle ou informatique cognitive est la « recherche de moyens...) est capable de les extraire dans des résultats de mesure qui semblent aléatoires.

Pour le démontrer, les chercheurs ont construit une cage métallique de 0.8m x 0.8m x 0.5m, dont la géométrie est irrégulière. À l'intérieur sont placées deux antennes qui émettent et captent une micro-onde de fréquence 2,463 GHz, ainsi que l'objet dont il s'agit de mesurer la position avec la meilleure précision possible. Enfin, l'enceinte contient une métasurface programmable qui permet de faire varier la géométrie de la cage, et d'effectuer ainsi de multiples mesures avec une seule et même longueur d'onde. Pour interpréter les résultats, et en tirer les informations recherchées, un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) de neurones a été au préalable entraîné sur des exemples connus. Les chercheurs ont pu montrer que, plus les ondes rebondissent, plus elles rencontrent l'objet, et plus le dispositif est sensible à des détails inférieurs à la longueur d'onde. Avec ce dispositif, ils ont obtenu une résolution maximale de λ/76 (ici: environ 0,15 cm), bien meilleure que la limite de diffraction, qui se situe à λ/2.

Le même principe peut s'appliquer à tout type d'ondes, avec des utilisations potentielles très variées: de la localisation précise de nanoparticules dans une enceinte (ondes optiques), à celles de personnes dans une pièce (ondes acoustiques), jusqu'à des techniques biomédicales de pointe comme l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui...) photo-acoustique. De son côté, l'équipe de l'IETR étudie son utilisation pour localiser précisément l'impact d'un doigt sur une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...), en visant des applications du type interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) homme-machine. Sur un plan plus fondamental, les recherches se poursuivent pour tenter d'améliorer encore la résolution permise par l'exploitation des ondes "rebondissantes".

Références:
Deeply Subwavelength Localization with Reverberation-Coded Aperture
Michael del Hougne, Sylvain Gigan, and Philipp del Hougne.
Phys. Rev. Lett. 127, 043903 - Published 23 July 2021.
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.043903
Article disponible sur les bases d'archives ouvertes HAL et arXiv.

Contacts:
- Philipp Del Hougne - chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) au sein de l'Institut d'électronique et des technologies du numérique (IETR, CNRS/INSA Rennes/Univ. Rennes 1/Univ. Nantes/Centrale Supélec) - philipp.del-hougne at univ-rennes1.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INSIS - insis.communication at cnrs.fr
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