Comment des ondes élastiques peuvent traverser des régions classiquement interdites

En mécanique quantique, l'effet tunnel est un phénomène qui permet à une particule de traverser une barrière pourtant infranchissable selon les lois de la mécanique classique. Le même type de comportement peut-il se produire avec des ondes élastiques dans un solide ? Autrement dit, des vibrations mécaniques peuvent-elles traverser des régions dans lesquelles la physique classique prédit une absence totale de propagation ? La question, longtemps débattue, vient d'être tranchée par des chercheurs du CEA-List et de l’Institut Jean Le Rond d’Alembert (∂’Alembert, CNRS/Sorbonne Université), qui pour la première fois ont observé expérimentalement comment des ondes mécaniques peuvent se propager dans une plaque métallique à travers une zone dans laquelle toute propagation est en théorie impossible. Ces résultats s’inscrivent dans le cadre des travaux de thèse d’Alexandre Yoshitaka Charau, dont ils constituent une contribution originale.

Pour mettre en évidence ce phénomène, les chercheurs ont conçu un guide d'ondes constitué d'une plaque d'aluminium dont l'épaisseur se réduit progressivement de 4,5 mm à 2,5 mm sur une longueur de 250 mm, le long de la direction de propagation de l'onde mécanique. Ce dispositif permet, lorsque l'épaisseur atteint une valeur critique, de créer une région dite "interdite", où un mode de vibration précis, le mode de Lamb S2, cesse de se propager. La propagation des ondes dans le guide métallique est observée à l'aide d'un interféromètre optique. 

L'expérience a révélé un résultat contre-intuitif. En effet, une partie de l'énergie traverse la région sous la forme d'une onde évanescente, dont l'amplitude décroît fortement mais dont l’énergie n’est pas totalement bloquée. L'onde propagative réapparaît de l’autre côté de la barrière. Jusqu’à présent, des observations de transmission à travers de telles régions avaient été rapportées, mais des travaux ont montré qu’elles relevaient en réalité d’une mauvaise interprétation des observations expérimentales, ces phénomènes étant en fait dus à de simples conversions de modes, c’est-à-dire à un changement de nature de l’onde lui permettant de contourner l’obstacle. À l'aide de simulations numériques, l'équipe a montré que ce phénomène n'est pas seulement lié à la géométrie du guide d'ondes, mais est gouverné par le coefficient de Poisson, une constante élastique caractéristique du matériau. Les résultats expérimentaux sont en parfait accord avec ceux de la simulation et d’un modèle théorique fondé sur l’approximation de Wentzel–Kramers–Brillouin (WKB).

Au-delà des aspects fondamentaux, cette étude ouvre la voie à de nouvelles stratégies de contrôle de l'énergie mécanique. En combinant l’effet tunnel à un gradient d’épaisseur, il devient possible d’imaginer des dispositifs passifs de type « diode acoustique », capables de favoriser la propagation du mode dans une direction tout en la bloquant dans l’autre, ou encore de contrôler finement la quantité d’énergie transmise en jouant sur la longueur de la barrière. Un domaine que l'équipe a commencé à explorer. Par ailleurs, le phénomène mis en évidence pourrait aussi être exploité pour réaliser des lentilles négatives à gradient d’épaisseur qui focalisent l'énergie mécanique à la sortie de la barrière, et déboucher sur de nouveaux capteurs.

Références
Tunneling of elastic waves in a tapered waveguide.
Alexandre Yoshitaka Charau, Jérôme Laurent, and Tony Valier-Brasier.
Physical Review Letters, publié le 16 décembre 2025.
https://doi.org/10.1103/18p2-8qtp