Un dispositif expérimental pour briser la réciprocité de la propagation des ondes acoustiques
Grâce à une ligne de transmission acoustique innovante, une équipe de l'Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie a mis en évidence expérimentalement la non réciprocité de la propagation des ondes dans un milieu dont les propriétés sont modulées dans le temps et dans l'espace. Les résultats sont publiés dans la revue Applied Physics Letters.
La réciprocité des ondes peut se définir comme l'invariance des signaux mesurés quand la source et le récepteur sont permutés. Cette invariance peut cependant être brisée dans une ligne de transmission dont les propriétés sont modulées en espace et en temps. Jusqu'ici, la difficulté à réaliser une ligne de transmission suffisamment longue et une modulation suffisamment efficace et rapide n'avaient pas permis d'observer expérimentalement ce phénomène. Une équipe de l'Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN, CNRS/Université de Lille/Université Polytechnique Hauts-de-France) y est parvenu, en étudiant la propagation d'ondes acoustiques dans un assemblage d'un grand nombre d'éléments piézoélectriques dont la structure a été élaborée sur la base de simulations numériques. Cette étude a été menée dans le cadre du projet ANR Meandre, axée sur la réalisation de dispositifs de contrôle dynamique des ondes acoustiques.
L'expérimentation de l'IEMN repose sur une ligne de transmission constituée de plus de cent éléments piézoélectriques, séparés par de fines électrodes. Celles-ci sont utilisées pour imposer une modulation des propriétés du milieu, sous la forme d'une mise à la masse variant périodiquement en espace et en temps, mais aussi pour mesurer l'évolution de l'onde acoustique se propageant dans la ligne. Le contrôle du dispositif, réalisé par un circuit électronique extérieur (DSP et mémoires DRAM), permet de réaliser une modulation rapide, à une vitesse qui s'approche de la vitesse de propagation des ondes, et sur une longueur de propagation suffisante pour mettre en évidence le phénomène de non réciprocité.
Ce type de dispositif pourrait à terme permettre la conception de nouveaux composants de traitement du signal. De nouvelles perspectives s'ouvrent également en recherche, et l'équipe de l'IEMN poursuit ses travaux en augmentant la vitesse de modulation, jusqu'à atteindre ou dépasser la vitesse des ondes acoustiques (régime supersonique), ou encore en étudiant l'effet de modulations accélérées.
(d) Photo du dispositif expérimental de modulation spatiale et temporelle des conditions électriques imposées aux électrodes, par un circuit électronique DSP associé à des mémoires DRAM.
© Sarah Tessier/IEMN/CNRS
Références
Experimental evidence of nonreciprocal propagation in space-time modulated piezoelectric phononic crystals.
S. Tessier Brothelande, C. Croënne, F. Allein, J. O. Vasseur, M. Amberg, F. Giraud, B. Dubus.
Applied Physics Letters, 23 novembre 2023.
https://doi.org/10.1063/5.0169265