La perte d'énergie due à la diffusion de défauts matériels est connue pour fixer des limites sur les performances de presque toutes les technologies que nous utilisons pour les communications, Horaire, et navigation. Dans les gyroscopes et accéléromètres micromécaniques, tels que ceux que l'on trouve couramment dans les téléphones portables aujourd'hui, le désordre microstructural impacte la dérive de mesure et la précision globale du capteur, analogue à la façon dont une corde de violon sale peut avoir un impact sur le plaisir d'une belle musique. Dans les systèmes de communication à fibre optique, la diffusion à partir de défauts matériels peut réduire la fidélité des données sur de longues distances, réduisant ainsi la bande passante réalisable. Étant donné qu'il n'est pas possible d'obtenir des matériaux exempts de défauts, comment améliorer les limites technologiques fondamentales imposées par le désordre ?

Une collaboration de recherche entre l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, l'Institut national des normes et de la technologie, et l'Université du Maryland a révélé une nouvelle technique par laquelle la diffusion des ondes sonores du désordre dans un matériau peut être supprimée à la demande. Tout ça, peut être simplement obtenu en éclairant avec la couleur appropriée de la lumière laser. Le résultat, qui est publié dans Communication Nature , pourrait avoir un impact considérable sur les capteurs et les systèmes de communication.

Gaurav Bahl, professeur adjoint de sciences mécaniques et d'ingénierie, et son équipe de recherche ont étudié l'interaction de la lumière avec le son dans des micro-résonateurs à semi-conducteurs. Ce nouveau résultat est l'aboutissement d'une série d'expérimentations menées par son équipe depuis plusieurs années, et une nouvelle question scientifique posée au bon endroit.

"Les résonateurs peuvent être considérés comme des chambres d'écho pour le son et la lumière, et peut être aussi simple que des boules de verre micro-sphériques comme celles que nous avons utilisées dans notre étude, " a expliqué Bahl. " Notre communauté de chercheurs a compris depuis longtemps que la lumière peut être utilisée pour créer et amplifier des ondes sonores dans les résonateurs à travers une variété de forces optiques. Les échos résonnants aident à augmenter le temps d'interaction entre le son, léger, et le désordre matériel, rendant ces effets subtils beaucoup plus faciles à observer et à contrôler. Étant donné que les interactions au sein des résonateurs ne sont fondamentalement pas différentes de celles qui ont lieu dans tout autre système, ceux-ci peuvent être une plate-forme très compacte pour explorer la physique sous-jacente."

La clé pour supprimer la diffusion du désordre est d'induire un décalage dans la propagation entre les directions d'origine et diffusée. Cette idée est similaire à la façon dont un courant électrique préfère circuler le long du chemin de moindre résistance, ou comment l'eau préfère s'écouler à travers un tuyau plus large plutôt qu'un tuyau resserré. Pour supprimer la rétrodiffusion des ondes sonores se déplaçant vers l'avant, il faut créer une grande impédance acoustique vers l'arrière. Cette asymétrie pour les ondes se propageant vers l'avant et vers l'arrière est appelée chiralité du milieu. La plupart des systèmes à l'état solide n'ont pas de propriétés chirales, mais ces propriétés peuvent être induites par des champs magnétiques ou par une variation spatio-temporelle du milieu.

"Il y a quelques années, nous avons découvert que la chiralité peut être induite pour la lumière en utilisant un phénomène opto-mécanique, dans lequel la lumière se couple aux ondes sonores qui se propagent et rend le support transparent. Nos expériences à l'époque ont montré que la transparence optique induite ne permet à la lumière de se déplacer que de manière unidirectionnelle, C'est, il crée une impédance optique préférentiellement faible dans une direction, " a déclaré Bahl. " C'est alors que nous avons rencontré notre collaborateur Jacob Taylor, un physicien au NIST, qui nous a posé une question simple. Qu'arrive-t-il aux ondes sonores dans un tel système ?"

"Notre modélisation théorique a prédit que le fait d'avoir un système chiral pour la propagation du son pourrait supprimer toute rétrodiffusion qui aurait pu être induite par le désordre, " a expliqué Taylor. " Ce concept est né du travail que nous avons fait au cours des dernières années pour étudier la protection topologique de la lumière, où la propagation chirale est une caractéristique clé pour améliorer les performances des appareils. Initialement, le plan avec l'équipe de Bahl était juste de montrer une différence entre les ondes sonores se propageant vers l'avant et vers l'arrière, en utilisant un effet de refroidissement créé par la lumière. Mais le système nous a surpris avec un effet pratique encore plus fort que prévu."

Cette simple question a lancé un nouvel effort de recherche pluriannuel dans une direction qui n'a pas été explorée auparavant. Travaillant en étroite collaboration, l'équipe a découvert que la diffusion de la lumière Brillouin, un type particulier d'interaction opto-mécanique, pourrait également induire une chiralité pour les ondes sonores. Entre les outils expérimentaux du laboratoire de Bahl, et les avancées théoriques du laboratoire de Taylor, les pièces du puzzle étaient déjà en place.

"Nous avons préparé expérimentalement un système optomécanique chiral en faisant circuler un champ laser dans le sens des aiguilles d'une montre dans un résonateur en verre de silice. La longueur d'onde du laser, ou couleur, a été spécialement conçu pour induire un amortissement optique des ondes sonores uniquement dans le sens des aiguilles d'une montre. Cela a créé une grande disparité d'impédance acoustique entre les directions de propagation dans le sens horaire et antihoraire, " a expliqué Seunghwi Kim, premier auteur de l'étude. "Les ondes sonores qui se propageaient dans le sens des aiguilles d'une montre ont subi des pertes très élevées en raison de l'effet de refroidissement opto-mécanique. Les ondes sonores se déplaçant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre pouvaient se déplacer librement. Étonnamment, nous avons constaté une énorme réduction de la perte de diffusion pour les ondes sonores dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, puisque ces ondes ne pouvaient plus se disperser dans le sens des aiguilles d'une montre ! En d'autres termes, même si le désordre était présent dans le résonateur, son action a été supprimée.

Tout comme le son est la principale méthode de communication vocale entre les humains, les ondes électromagnétiques comme la radio et la lumière sont la principale technologie utilisée pour les communications mondiales. Que pourrait signifier cette découverte pour l'industrie des communications? Le désordre et les défauts matériels sont des systèmes à fibres optiques inévitables, résultant en une plus faible fidélité des données, erreurs de bits, et les limitations de bande passante. L'équipe pense que les technologies basées sur cette découverte pourraient être exploitées pour contourner l'impact des défauts matériels inévitables dans de tels systèmes.

"Nous avons déjà vu autant de capteurs, tels que ceux trouvés dans votre téléphone ou dans votre voiture, peut être limité par des défauts intrinsèques des matériaux, " a ajouté Taylor. " L'approche présentée ici fournit un moyen simple de contourner ces défis, et peut même nous aider à approcher les limites fixées par la mécanique quantique, plutôt que nos propres défis d'ingénierie."

Les applications pratiques de ce résultat peuvent ne pas être trop longues. La réduction des pertes mécaniques pourrait également améliorer directement les capteurs de navigation inertielle basés sur la mécanique que nous utilisons aujourd'hui. Des exemples que nous rencontrons dans la vie quotidienne sont les accéléromètres et les gyroscopes, sans quoi nos téléphones portables seraient bien moins performants, et nos voitures et avions beaucoup moins sûrs.