Manipulation d’ondes à la surface de l’eau et dans la matière molle

• Contrôle réfractif des ondes gravito-capillaires

Les ondes gravito-capillaires offrent des possibilités de manipulation et d’observation uniques. Leurs longueurs d’onde, à l’échelle macroscopique, et leur vitesse de propagation lente, permettent une imagerie 2D aisée et en temps réel. Un contrôle de l’environnement à une échelle sub-longueur d’onde peut également être obtenu notamment par une bathymétrie contrôlée limitée néanmoins en amplitude et sujette à dissipation. Nous avons introduit une nouvelle technique de contrôle réfractif sub-longueur d’onde sans dissipation et de grande amplitude permettant une manipulation inégalée des ondes gravito-capillaires [V. Mouet, B. Apffel, and E. Fort, PNAS, 2023].

• Milieux variables en temps
  L’introduction du concept de cristal de temps en 2013 par Frank Wilczek a suscité l’émergence d’un nouveau domaine de recherche en plein essor, axé sur la manipulation des ondes par des matériaux variables en temps. Dans ces matériaux, la vitesse des ondes est modifiée en des temps courts par rapport à la période des ondes. Ceci offre de nouvelles approches et de nouveaux concepts pour la manipulation des ondes. Les ondes gravito-capillaires offrent des possibilités uniques avec des variations dans le temps d’amplitudes inégalées obtenues par accélération verticale du bain ou par électrostriction. Nous avons ainsi, par exemple, réalisé des miroirs à conjugaison de phase qui peuvent refocaliser les vagues sur les sources qui les ont créées [V Bacot et al., PNAS, 2019], des dispositifs de contrôle en fréquence d’un paquet d’onde au moyen de cascade d’interfaces spatio-temporelles [B Apffel and E. Fort, Phys. Rev. Lett., 2022], ou encore des milieux désordonnés temporellement affectant la propagation des ondes en leur sein [B. Apffel et al., Phys. Rev. Lett., 2022].

• Stabilisation des ondes (et des milieux) dynamiquement

Bateaux flottant de part et d’autre d’une couche de liquide en lévitation

De plus, nous avons montré que les modulations temporelles du milieu (par vibration) permettaient de stabiliser dynamiquement les perturbations en modes propagatifs et de créer une gravité artificielle (Fig. 4) [B Apffel et al., Nature, 2020].

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 [1].

Contact :

• Agnès Maurel

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 [2] [3] [4].

Contact

• Emmanuel Fort