Matériaux localement résonants

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
A gauche : Radeau de bulles, a droite coefficient de reflexion
Propriétés acoustiques d’un "radeau de bulles". La diminution du coefficient de réflexion (courbe expérimentale en bleue, simulation en rouge) s’accompagne d’une augmentation de l’absorption autour d’une fréquence liée à la résonance individuelle des bulles.

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 [1]. 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. [2].

Contact :
* Arnaud Tourin

Metalentilles résonantes et super résolution

En 2007, 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 [3] [4]] [5]. 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 [6]. 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 [7].

Contacts :

  • Geoffroy Lerosey

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, nous avons 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. 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. Dans le même ordre d’idée, une structure en double T inspiré des métamatériaux « cut-wire » [8] 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) [9].

Contacts :

  • Abdelwaheb Ourir
  • Julien de Rosny

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