Ondes acoustiques et électromagnétiques en milieux complexes (OMC)

Le dénominateur commun des activités rattachées à ce thème tient à l’étude de la propagation et à la manipulation d’ondes mécaniques et électromagnétiques dans des milieux complexes, en particulier dans des milieux fortement hétérogènes structurés à des échelles de l’ordre de la longueur d’onde ou sub-longueur d’onde. Un certain nombre de nouveaux concepts issus de ces travaux irriguent les thèmes IDE et EPOM pour la mise au point de nouvelles méthodes de détection ou d’imagerie. Au sein de ce thème les principaux axes de recherche sont :

Les membres permanents qui composent à ce thème sont

  • Alexandre Aubry (CR2 CNRS)
  • Arnaud Derode (Prof. Paris 7)
  • Mathias Fink (Prof. ESPCI)
  • Geoffroy Lerosey (CR CNRS)
  • Agnès Maurel (DR CNRS)
  • Marie Müller (MCF Paris 7)
  • Julien de Rosny (CR CNRS)
  • Arnaud Tourin (Prof. ESPCI)

Les membres du laboratoire qui participent également à ce thème sont

  • Christophe Barrière (MCF Univ. Paris 7 principalement rattaché à IDE)
  • Emmanuel Bossy (MCF ESPCI principalement rattaché au thème POM)
  • Emmanuel Fort (MCF Paris 7 dont les activités relèvent aussi de NAOMI et de POM)
  • Romain Pierrat (principalement rattaché au thème METHEO)
  • Claire Prada (DR CNRS, principalement rattachée à IDE)
  • Mickaël Tanter (responsable de POM)

Approche matricielle de la propagation en régime de diffusion multiple

Approche matricielle de la propagation en régime de diffusion multiple

Depuis 2009, comme suite à la thèse d’Alexandre Aubry encadrée par Arnaud Derode (2005-2008), nous avons étudié de nouvelles approches matricielles de la propagation des ondes en milieu complexe. Parmi tous les types d’onde possibles, les champs ultrasonores présentent la particularité de pouvoir être facilement « manipulés », à l’émission comme à la réception, grâce à l’emploi de réseaux piézoélectriques multi-éléments. En particulier, l’enregistrement en régime large bande de l’ensemble des réponses inter-éléments permet d’accéder pour chaque fréquence dans la bande passante du réseau à l’opérateur de propagation de milieux complexes multiplement diffuseurs (i.e., dont l’épaisseur excède plusieurs libres parcours moyens). Un résultat très important de nos recherches concerne l’étude statistique des valeurs singulières de cet opérateur et la mise au point d’une méthode de séparation par traitement matriciel des contributions résultant de la diffusion simple et de la diffusion multiple. En utilisant des milieux aléatoires modèles de type « forêts de tiges métalliques », nous avons montré qu’il devient ainsi possible de détecter une cible noyée derrière un écran multiplement diffuseur. Ces travaux ont donné lieu à 4 publications et au dépôt d’un brevet en 2010 [ACL-Aubry2009a, ACL-Aubry2009b, ACL-Aubry2010a, ACL-Aubry2011a]. Si la preuve de concept a été solidement établie en laboratoire, un défi applicatif demeure : tester la validité de cette nouvelle approche en vue d’améliorer le contrôle non destructif des matériaux hétérogènes. Depuis novembre 2010, un partenaire industriel (EDF R&D) finance une thèse co-encadrée par Arnaud Derode, avec pour objectif l’amélioration sensible de la détection de défauts dans les aciers poly-cristallins à gros grains, milieux hétérogènes dont le contrôle par ultrasons est un enjeu majeur dans l’industrie nucléaire. Les premiers résultats concluants ont été présentés au congrès QNDE (Denver, juillet 2012) qui fait référence internationalement dans le domaine du contrôle non destructif. Nous avons également étudié l’intérêt de cette approche dans le cas de milieux réputés faiblement diffusants, comme les tissus mous du corps humains (le sein, par exemple), et montré qu’elle pouvait apporter une information complémentaire de celle fournie par un échographe standard : une mesure du « taux de diffusion multiple » dans un milieu donné en fonction de la profondeur d’inspection [ACL-Aubry2011a].

Focalisation d’ondes dans les milieux complexes

Les premiers travaux sur le retournement temporel d’ondes acoustiques dans les milieux multiplement diffuseurs et dans les cavités réverbérantes ont permis de comprendre que l’ont peut tirer profit des multiples trajets pour focaliser une onde dans le temps et dans l’espace. La focalisation peut même être grandement améliorée par la présence des chemins multiples. Ces dernières années trois sujets ont été étudiés :

Focalisation spatio-temporelle par contrôle de front d’ondes

Dans le cadre de la thèse de Jochen Aulbach, co-encadrée par Arnaud Tourin et le Professeur Ad Lagendijk (Université d’Amsterdam), nous avons mis au point une nouvelle méthode pour focaliser des ultrasons en milieux complexes et nous l’avons comparée au retournement temporel. S’apparentant aux nouvelles méthodes de focalisation par contrôle de front d’ondes récemment développées en optique, elle présente toutefois la particularité d’exploiter la totalité des degrés de liberté (spatiaux et temporels) offerts par le milieu de propagation pour atteindre une focalisation optimale non seulement en espace, mais aussi en temps. Un article présentant ces résultats est paru en 2012 dans la revue Physical Review E [ACL-Aulbach2012].

Focalisation par retournement temporel de microondes de forte puissance : « le bazooka électromagnétique »

Dans le cadre d’un projet financé par la DGA (projet AORTE) et de la thèse de Mathieu Davy encadrée par Julien de Rosny, nous avons appliqué le principe de focalisation par renversement du temps à la génération d’impulsions micro-ondes de forte amplitude à partir d’un générateur d’ondes arbitraires. A cette fin, nous avons conçu une cavité réverbérante ouverte sur sa face avant et profité des propriétés de compression d’impulsion du renversement temporel. Des impulsions de fortes amplitudes sont ainsi générées à l’extérieur de la cavité grâce à l’étalement temporel des signaux à l’intérieur. L’amplitude ainsi que la largeur de la tache focale des impulsions obtenues ont été étudiées en fonction des différents paramètres expérimentaux. Un gain de 18 dB par rapport à une antenne directive de même ouverture est obtenu. Cet article a fait l’objet d’une publication [ACL-Davy2010a].

Focalisation sub-longueur d’onde

En lien avec les travaux portant sur les métalentilles résonantes [ACL-Lemoult2010], nous avons démontré la capacité d’un miroir à retournement temporel à focaliser sur une largeur plus petite que la demi-longueur d’onde [ACL- Rosny2010] dans le cas où les antennes sur lesquelles l’onde est focalisée sont fortement couplées et que l’impédance de charge des antennes vérifie une condition particulière liée à la courbe de dispersion du réseau d’antenne : des périodes spatiales plus petites que la longueur d’onde sont alors excitées ; ces modes, qui donnent naissance à une focalisation sublongueur d’onde, sont très semblables aux modes plasmons rencontrés dans les métaux.

Manipulation d’ondes à la surface de l’eau

Deux séries d’expériences ont été menées sur la manipulation d’ondes à la surface de l’eau :

Retournement temporel des vagues

Dans le cadre d’une collaboration avec le laboratoire du LAUM (Université du Mans) et du Laboratoire PMMH (ESPCI, Paris), nous avons développé une méthode de suivi optique des ondes à la surface de l’eau, méthode qui permet de résoudre le champ ondulatoire en temps et en espace. Cette technique permet en particulier d’aborder la question de la turbulence d’ondes : il s’agit de comprendre comment l’énergie des ondes se répartit sur les échelles spatiales ou fréquentielles (on parle de cascade d’énergie) et comment l’exposant spectral dépend des conditions d’injection de l’énergie dans le système. Avec cette méthode, nous travaillons aussi à tester la sensibilité de structures anisotropes (analogues à certains métamatériaux étudiés en électromagnétisme) aux spécificités des ondes à la surface de l’eau (dissipatives, dispersives et non-linéaires). Enfin et surtout, en exploitant cette technique, nous avons récemment réalisé la première expérience de retournement temporel pour des ondes se propageant à la surface de l’eau [ACL-Przadka2012b].

Le marcheur : un exemple de dualité onde/corpuscule à l’échelle macroscopique]

Emmanuel Fort (MCF, Université Paris 7) étudie depuis quelques années des objets insolites formés par des gouttes qui rebondissent sur un bain formé du même liquide mis en vibration verticale. Dans un premier temps, il a montré qu’une oscillation verticale de la goutte ou du bain peut également empêcher la coalescence. Le sujet a ensuite pris de l’ampleur lors de la découverte de l’instabilité de marche des gouttes qui, au dessus d’un certain seuil de forçage, se déplacent spontanément à la surface du bain liquide. La goutte génère alors une onde de surface sur laquelle elle rebondit et qui lui donne une impulsion horizontale. Ce nouvel objet insolite a été désigné sous le terme de « marcheur ». Il s’agit d’un objet symbiotique original formé par l’interaction mutuelle d’une onde et d’une particule massive. Il présente ainsi une dualité onde-corpuscule à l’échelle macroscopique, propriété souvent considérée comme l’apanage des systèmes quantiques. La dynamique de ces objets, leurs interactions mutuelles ainsi qu’avec leur environnement, constitue une thématique importante des recherches menées à l’Institut en collaboration étroite avec Yves Couder (laboratoire MSC, Université Paris 7). Le comportement de ces objets débouche sur des questions tout à fait passionnantes, notamment quant à leur analogie avec les objets quantiques. Ont été notamment étudiés pour cet objet l’effet tunnel et la quantification des orbites [ACL-Eddi2012, ACL-Fort2010, ACL-Eddi2009b].

Assemblage périodique de résonateurs acoustiques et électromagnétiques

Un axe important de recherche est l’étude de la propagation des ondes dans les arrangements périodiques de résonateurs aussi bien en acoustique qu’en micro-ondes. Ces matériaux périodiques se comportent à la fois comme des cristaux photo(phono)niques et des métamatériaux. Les recherches sur le domaine portent sur :

Cristaux phononiques de bulles

Dans le cadre de la thèse d’Alice Bretagne (2008-2011) encadrée par Arnaud Tourin, nous avons obtenu des résultats importants concernant la conception de matériaux acoustiques aux propriétés de transmission originales. Ainsi, nous avons mis au point le premier cristal phononique de bulles. Il s’agit d’un cristal formé de bulles d’air disposées de façon ordonnée dans un matériau élastomère souple (le PDMS). Nous avons montré que les propriétés de ce cristal empruntent à la fois à la physique des cristaux phononiques et à celle des métamatériaux. Ces premiers résultats ont été publiés dans la revue Applied Physics Letters [ACL-Leroy2009] et salués par un article dans la revue Nature. Sur un plan pratique, ils ouvrent notamment la voie à la mise au point d’isolants acoustiques de très faible épaisseur. La Société Michelin a manifesté un intérêt pour ces travaux et une future collaboration est envisagée. En collaboration avec Valentin Leroy (laboratoire MSC, Université Paris 7), nous avons ensuite mené une étude théorique, numérique et expérimentale des propriétés de transmission d’écrans de bulles, baptisés « Metascreen », dans différentes configurations : dans l’eau, dans l’air ou à l’interface eau/air. Dans ce dernier cas, nous avons montré qu’une couche compacte de bulles à l’interface air/eau, autrement dit un « radeau de bulles », possède des propriétés intéressantes de super-absorption. Ces travaux ont donné lieu à une autre publication paru en 2012 dans App. Phys. Lett. [ACL-Bretagne2011].

Metalentilles résonantes et super résolution

Les travaux réalisés récemment dans le cadre de la thèse de Fabrice Lemoult, encadrée par Geoffroy Lerosey et Mathias Fink, ont pour origine nos résultats publiés dans la revue Science en 2007. Dans cet article, nous avons démontré qu’il est possible de battre la limite de la diffraction à l’aide d’un milieu complexe structuré à l’échelle sub-longueur d’onde, en utilisant un miroir à retournement temporel placé en champ lointain. Chercher à comprendre le mécanisme physique responsable de ces résultats surprenants nous a conduits à nous intéresser à la dispersion dans les métamatériaux de taille finie et aux possibilités qu’ils offrent lorsque l’on utilise des ondes à spectre large plutôt que des ondes monochromatiques. Nous avons ainsi proposé le concept de « Resonant metalens », une lentille d’un genre nouveau qui est composée de résonateurs petits devant la longueur d’onde et densément organisés. Une telle métalentille, parce qu’elle est dispersive, résonante et de taille finie, permet de focaliser de l’énergie, depuis le champ lointain, sur des dimensions bien plus petites que la longueur d’onde, en utilisant des ondes à large spectre ; elle permet également d’imager en dessous de la limite de la diffraction depuis le champ lointain. Ces travaux on fait l’objet de plusieurs publications, dont une dans la revue Physical Review Letters, et d’un chapitre de livre à paraître cet automne [ACL-Lemoult2010, ACL-Lemoult2011b, ACL-Lemoult2011c]. L’expérience publiée en 2007 étant parfaitement maîtrisée et comprise, nous avons alors décidé de tenter de transposer ces résultats à l’acoustique. Pour ce faire, nous avons utilisé des résonateurs acoustiques de tous les jours : des canettes de soda. Nous avons ainsi construit une lentille acoustique constituée de 64 canettes et avons démontré qu’il est possible de focaliser du son dans ce type de milieu depuis le champ lointain sur des dimensions 10 fois inférieures à la limite de la diffraction ! Cette expérience, une première dans le domaine, a été publiée dans la revue Physical Review Letters [ACL-Lemoult2011a]. Enfin, pour convaincre la communauté de l’optique du bien fondé de notre approche, nous avons réalisé des simulations électromagnétiques et étudié théoriquement une « Resonant metalens » dans le domaine du visible. Nous avons ainsi prouvé qu’une lentille composée de nano-cylindres d’argent permet, si elle est utilisée avec des ondes polychromatiques, d’imager et de focaliser de l’énergie sur des dimensions bien plus petites que la limite de la diffraction dans le domaine de l’optique. Nos résultats ont été publiés récemment dans la revue Nature Communications [ACL-Lemoult2012].

Métamatériaux électromagnétiques

Comme expliqué dans le paragraphe précédent, c’est notre volonté de comprendre comment battre la limite de diffraction dans une expérience de retournement temporel qui nous a conduits à nous intéresser aux métamatériaux. Comme suite à ces travaux, Julien de Rosny et Adelwaheb Ourir (recruté au CNRS comme Ingénieur de recherche en 2009) ont débuté une série de travaux sur les métamatériaux dans la bande des micro-ondes entre 1 et 10GHz. Ils ont en particulier étudié l’influence de la symétrie de la cellule élémentaire sur leurs propriétés. Ils ont notamment montré comment exciter un mode piégé antisymétrique dans une cellule de type Split Ring Resonator (SRR) symétrique en plaçant deux capacités variables dans la structure qui permettent en outre d’ajuster la fréquence de résonance de ce mode [ACL-Ourir2010b]. Ils ont aussi réalisé un matériau à indice négatif par contrôle de l’hybridation de modes piégés qui n’ont pas d’ordinaire la possibilité de se coupler avec un champ électromagnétique extérieur du fait de la symétrie de la structure. Grâce à l’introduction d’une légère asymétrie, un tel mode peut se coupler avec un mode non piégé pour donner naissance à 2 modes rayonnants, approche qui a été vérifiée expérimentalement et théoriquement [ACL-Abdeddaim2011]. Dans le même ordre d’idée, une structure en double T inspiré des métamatériaux « cut-wire » [ACL-Ourir2011b] a été réalisée qui a permis d’observer un effet de réfraction négative en plaçant les T tête-bêche. Enfin, ils sont parvenus à accroître l’isolation entre deux antennes patch à l’aide d’une cavité Fabry-Pérot constituée d’un plan métallique (PEC) et d’une surface partiellement réfléchissante faite de croix métalliques agencées périodiquement. C’est le caractère résonant des croix qui permet d’accroître l’isolation entre les antennes. Ces travaux pourraient avoir un impact important dans le contexte des communications MIMO (Multiple Input-Multiple Output) [Ourir2010a].






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