Comment interagir en profondeur des milieux diffusants ?

Les environnements complexes fortement diffusants, comme les tissus biologiques, les nuages, ou la croute terrestre, nous apparaissent opaques car la plupart des ondes sont réfléchies à leur surface. Surmonter la diffusion des ondes pour délivrer de l’énergie de manière ciblée ou acquérir une information provenant des profondeurs de tels milieux représentent des défis importants que les techniques de manipulation du front d’onde rendent aujourd’hui accessibles. Dans deux travaux récents, une collaboration internationale impliquant l’Institut Langevin est parvenue à faire sauter deux verrous importants dans ce domaine [1,2].

Les chercheurs impliqués ont tout d’abord réussi à prédire et mesurer la quantité d’énergie maximale qu’il est possible de délivrer par contrôle du front d’onde à n’importe quelle profondeur d’un milieu diffusant [1]. De manière très inattendue, plus la cible est profonde plus cette énergie augmente. De surcroît, cette augmentation est d’autant plus importante que le milieu est fortement diffusant ! Ces prédictions ont pu être vérifiées expérimentalement avec des ondes optiques en mesurant la matrice de déposition qui fait correspondre un front d’onde d’entrée à la distribution du champ à l’intérieur du milieu.

Ces mêmes chercheurs ont par ailleurs proposé un protocole pour fortement améliorer la sensibilité du signal retrodiffusé aux changements locaux provenant de couches profondes [2]. Les protocoles existants tiraient partie de la séparation entre la source et le détecteur placés en surface pour augmenter la profondeur sondée. Cependant ces derniers souffraient d’un très mauvais rapport signal/bruit en raison de l’effondrement du signal avec la distance source/détecteur. En jouant sur la mise en forme spatiale de l’onde sonde, les chercheurs ont pu démontrer théoriquement et expérimentalement un gain qui croît avec la force du désordre et le nombre de degrés de liberté contrôlés. Une telle amélioration a permis d’atteindre des seuils de sensibilité en profondeur dépassant la dizaine de libre parcours moyen de transport.

Références :
[1] Depth-targeted energy delivery deep inside scattering media,
N. Bender, A. Yamilov , A. Goetschy, H. Yılmaz, C.W. Hsu, H. Cao,
Nature Physics 18, 309 (2022)
[2] Coherent enhancement of optical remission in diffusive media,
N. Bender, A. Goetschy, C.W. Hsu, H. Yılmaz, P. J. Palacios, A. Yamilov, H. Cao,
PNAS 119, e2207089119 (2022)

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