Un petit objet peut rester en lévitation à près de 40 cm d'une source sonore.
Cette expérience repose sur la lévitation acoustique. Des ultrasons, trop aigus pour être entendus par l’oreille humaine, exercent une force sur un objet et peuvent compenser son poids. La technique permet ainsi de tenir de petits objets en l’air sans les toucher, ce qui intéresse notamment la manipulation de matériaux fragiles ou sensibles à la contamination.
Démonstration expérimentale et simulation numérique de la lévitation au-delà d'un obstacle.
(a) Champ de pression acoustique simulé, montrant la reconstruction du profil du faisceau au-delà de l'obstacle.
(b) Photographie d'une particule en lévitation au-dessus de l'obstacle.
Habituellement, la lévitation acoustique utilise deux côtés : des sources sonores opposées, ou une source face à un réflecteur. Les ondes se combinent alors pour créer des zones où l’objet reste piégé. Des dispositifs fonctionnant d’un seul côté existent aussi, mais leur portée restait limitée à quelques centimètres.
L’équipe de l’Université de Tsukuba, de l’Université de Bristol et de Pixie Dust Technologies a changé la manière de retenir l’objet. Au lieu de le placer dans une zone de faible pression sonore, elle le maintient au cœur d’une zone où cette pression est élevée. Cette configuration avait été prévue par la théorie, mais sa stabilité en trois dimensions n’avait pas encore été démontrée expérimentalement dans l’air.
Pour y parvenir, les chercheurs utilisent un faisceau d’ultrasons particulier, appelé faisceau de Bessel. Sa partie centrale reste étroite et intense sur une distance relativement longue. L’appareil comporte 256 petits émetteurs fonctionnant à 40 kHz, pilotés ensemble pour façonner les ondes sonores dans l’espace.
Avec ce système, une bille de polystyrène expansé de 1,5 mm de diamètre a été maintenue entre 141 et 397 mm de la source. La portée maximale atteint donc presque 40 cm. Dans les mêmes conditions, une technique unilatérale conventionnelle utilisée comme comparaison atteignait 66.7 mm, soit environ six fois moins.
La bille n’est pas seulement suspendue à un point fixe. En modifiant le faisceau, l’équipe a pu la déplacer dans les trois dimensions. Les chercheurs ont également fait léviter plusieurs objets en même temps et testé des formes non sphériques, notamment des morceaux de feuille de thé sèche et d’aérogel.
Autre particularité, le faisceau peut se reformer après avoir rencontré certains obstacles. Les chercheurs ont ainsi maintenu des objets au-delà d’un obstacle placé sur son trajet. Cette propriété laisse davantage d’espace libre autour de la zone de travail qu’un système encadrant l’objet avec plusieurs sources.
Les essais concernent pour l’instant des objets millimétriques très légers. La méthode pourrait servir à des expériences automatisées, à la manipulation sans contact ou à certains affichages en trois dimensions. Les prochaines recherches devront notamment préciser son comportement avec des objets de différentes natures et dans des environnements moins contrôlés.