Des cristaux topologiques pour guider les ondes à la surface de l’eau

Résultat scientifique Génie électrique et électronique

La structure hexagonale, inspirée de celle du graphène, est souvent choisie pour concevoir des isolants topologiques : des matériaux qui guident les ondes. En contrôlant les vagues grâce à un agencement de cubes, des chercheurs du CNRS, des universités de Franche-Comté et d’Aix-Marseille et de l’Imperial College de Londres ont obtenu pour la première fois ce phénomène avec une symétrie carrée. Publiés dans Applied Physics Letters, ces travaux soulignent que la disposition du graphène n’est pas la seule à pouvoir donner des cristaux topologiques à deux dimensions.

Domaine de recherche en pleine effervescence, les isolants topologiques sont conducteurs sur leur surface, mais isolants dans leur volume. Transposée aux ondes, cette propriété permet un guidage très efficace par l’ingénierie de la structure des cristaux. Pour faciliter les observations, des expériences peuvent être réalisées à l’échelle macroscopique, où des objets centimétriques sont disposés à intervalles réguliers afin de reproduire la maille d’un cristal. Le tout est ensuite plongé dans de l’eau, où la propagation des ondes devient visible sous la forme de vagues. Les objets y sont généralement agencés selon une symétrie hexagonale, qui est celle que l’on retrouve dans le graphène. Des chercheurs de l’Institut Franche-Comté électronique mécanique thermique et optique - sciences et technologies (FEMTO-ST, CNRS/Université technique Belfort-Montbéliard/Université de Franche-Comté/ENSMM), de l’Institut de recherche sur les phénomènes hors équilibre (IRPHE, CNRS/Aix Marseille Université/Centrale Marseille), de l’Imperial College de Londres et de l’unité mixte internationale Abraham de Moivre (CNRS/Imperial College) ont utilisé ce principe pour guider des vagues en ligne droite, mais avec une symétrie carrée.

Le cristal était ici constitué de blocs carrés, inclinés pour moitié vers la droite et l’autre vers la gauche, selon un angle optimal calculé à l’avance. Si les blocs sont parfaitement alignés, alors le guidage cesse et l’onde est complètement réfléchie. Les propriétés topologiques des réseaux carrés et hexagonaux sont similaires, mais les premiers peuvent diriger les ondes dans trois directions plutôt que deux. Ces cristaux artificiels pour vagues pourraient servir à la récupération d’énergie, ou au filtrage et au routage des ondes dispersives. Les chercheurs étendent à présent leurs études aux ondes acoustiques ultrasonores, typiques de l’imagerie médicale.
 

© FEMTO-ST Observation des vagues à la surface de l’eau guidées à l’interface de deux domaines d’un même cristal de symétrie carrée. Chaque cube fait deux centimètres d’arrête.
© FEMTO-ST
Observation des vagues à la surface de l’eau guidées à l’interface de deux domaines d’un même cristal de symétrie carrée. Chaque cube fait deux centimètres d’arrête.

Référence

Experimental observations of topologically guided water waves within non-hexagonal structures,
M.P. Makwana, N. Laforge, R.V. Craster, G. Dupont, S. Guenneau, V. Laude and M. Kadic

Applied Physics Letters (mars 2020)
doi.org/10.1063/1.5141850

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Vincent Laude
Chercheur