Première observation de l'effet roton dans des métamatériaux élastiques et acoustiques
Des chercheurs de l'Institut Femto-ST, en collaboration avec le Karlsruhe Institute of Technology, ont montré expérimentalement l'existence d'un comportement particulier d'une onde dans un métamatériau : l’équivalent de l'effet roton des superfluides, grâce auquel il serait possible de ''piloter'' la propagation de l'onde vers l'avant ou vers l'arrière, en faisant varier sa fréquence.
Lev Landau, prix Nobel de physique 1962, théoricien des superfluides - notamment de l'hélium liquide- avait décrit un phénomène inédit lors de la propagation d'ondes acoustiques dans l'hélium-4 superfluide : l'apparition d'un minimum de la relation de dispersion, c'est-à-dire dans la courbe qui représente la fréquence de l'onde en fonction du nombre d'onde (inverse de la longueur d'onde). A la fréquence correspondant à ce minimum, la vitesse de groupe de l’onde s'annule et sa direction s'inverse.
Le même phénomène, appelé effet roton, avait été observé lors de la diffusion inélastique de neutrons. Des études théoriques prédisaient aussi son existence dans des métamatériaux, mais cela n'avait jamais été confirmé expérimentalement. C'est chose faite, grâce à des expériences menées par des chercheurs de l'Institut Femto-ST (CNRS/UBFC), en collaboration avec le Karlsruhe Institute of Technology. Les résultats sont publiés dans la revue Science Advances.
Les deux équipes ont mené chacune une expérimentation. Les chercheurs allemands ont observé l'effet roton avec des ondes élastiques ultrasonores dans un métamatériau microscopique, fabriqué par lithographie à deux photons. Les chercheurs français de Femto-ST ont travaillé avec des ondes audibles, dans un métamatériau de taille macroscopique obtenu par impression 3D. Dans les deux cas, le métamatériau est construit en empilant des cellules de base comportant des structures géométriques spécifiques. Ces dernières ont été conçues afin de permettre un couplage des ondes qui les traversent jusqu'au troisième voisin (entre les cellules n et n+3), condition nécessaire à la production de l'effet roton (voir illustration).
Les deux dispositifs ont montré la possibilité de ''geler'' la propagation de l'onde pour une certaine fréquence, ce qui correspond au minimum de la relation de dispersion (voir la figure). Ces résultats permettent d'envisager à plus long terme de nouveaux dispositifs de contrôle de la propagation d'ondes, y compris dans d'autres domaines, comme les ondes électromagnétiques.
© Femto-ST
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Références
Experimental observation of roton-like dispersion relations in metamaterials
Julio Andrés Iglesias Martínez, Michael Fidelis Groß, Yi Chen, Tobias Frenzel, Vincent Laude, Muamer Kadic, Martin Wegener.
Science Advances, 1 Décembre 2021,Vol 7, Issue 49
doi.org/10.1126/sciadv.abm2189