Les chercheurs de l'Empa ont développé des cristaux phononiques chiraux et construit un modèle fonctionnel sur lequel des mesures de vibrations sont désormais effectuées. Crédit :Empa
Une équipe de chercheurs en acoustique de l'Empa a construit des structures cristallines macroscopiques qui utilisent la rotation interne pour atténuer la propagation des ondes. La méthode permet de construire des matériaux très légers et rigides qui peuvent aussi très bien "avaler" les basses fréquences, comme ils le rapportent dans le journal Communication Nature .
Le monde des cristaux offre de nombreuses propriétés intéressantes :les cristaux peuvent provoquer des étincelles électriques dans les briquets jetables, par exemple, ils peuvent produire une lumière polarisée et ils peuvent diffuser des rayons X groupés en des milliers de réflexes individuels qui sont réfractés dans toutes les directions spatiales.
Certaines de ces propriétés sont conservées même si les structures cristallines atomiques sont agrandies d'environ 100, 000, 000 fois et les cristaux sont répliqués à grande échelle. Les physiciens en profitent depuis plusieurs années :si les cristaux d'origine diffusent des rayons X avec des longueurs d'onde très courtes, les copies agrandies peuvent diffuser des oscillations avec de longues longueurs d'onde dans toutes les directions. Une manière très élégante d'amortir les vibrations a ainsi été trouvée. Les structures cristallines agrandies avec de telles propriétés acoustiques sont appelées cristaux phononiques.
Andrea Bergamini et son équipe du département Acoustique / Réduction du bruit de l'Empa ont maintenant réussi à intégrer aux cristaux des propriétés supplémentaires qui ne sont pas présentes dans les originaux. Les chercheurs ont construit de petites, plaques tournantes dans les structures cristallines, capables de convertir les oscillations le long de l'axe longitudinal en mouvements de torsion. Pour la première fois, une oscillation indésirable peut non seulement être dispersée dans différentes directions spatiales, mais peut aussi être convertie en énergie thermique.
Dans une étape supplémentaire, Bergamini et ses collègues chercheurs ont couplé ensemble plusieurs des disques rotatifs du cristal. Cela peut se faire de deux manières différentes :soit tous les disques tournent dans le même sens (disposition isotactique), soit ils sont alternativement connectés les uns aux autres avec leurs sens de rotation (disposition syndiotactique). L'effet est très différent :la disposition syndiotactique ABAB du sens de rotation crée ce qu'on appelle une bande interdite de fréquence. Une large gamme d'oscillations est "avalée" par le mécanisme de rotation et ne traverse pas le cristal. D'autre part, la disposition isotactique AAAA des mouvements rotatifs génère de nouvelles ondes avec des fréquences similaires, qui sont transmises à travers le cristal. Un composant mécanique avec une certaine géométrie détermine donc si le cristal est isolant ou conducteur. L'équipe a maintenant publié les résultats de la recherche dans le numéro actuel de la revue Communication Nature .
Mesure de vibration par ultrasons sur le modèle du cristal phononique chiral. Les résultats sont très prometteurs. Crédit :Empa
La "fenêtre de cryptographie" est une application possible pour les cristaux phononiques. Il déforme la parole de manière purement mécanique, sans électronique ni électricité. Crédit :Gian Vaitl / Empa
La "Fenêtre de Cryptographie"
Mais comment utiliser de telles bandes interdites de fréquence d'oscillation ? En attendant, un premier modèle a été développé au laboratoire montrant une fonction possible des cristaux phononiques :Bergamini a construit une fenêtre à partir de deux plaques de plexiglas dans lesquelles sont intégrés des disques tournants en disposition syndiotactique. La taille des disques est adaptée à la fréquence de la parole humaine. L'idée :lorsque certaines fréquences sont filtrées de la parole, le contenu parlé devient incompréhensible pour l'auditeur. Le cerveau humain ne peut plus assembler les informations acoustiques en un sens. Les premiers tests en laboratoire d'acoustique montrent que la démarche est très prometteuse. Vous pouvez clairement voir les personnes qui parlent et aussi entendre qui parle d'une manière étouffée. Mais pas un seul mot ne peut être compris clairement du texte parlé.
Bergamini et ses collègues s'attendent à ce que la transparence, les cristaux phononiques pourraient être intéressants pour les architectes et les décorateurs d'intérieur. Cette astuce physique permet de produire des matériaux de construction rigides avec une forme stable qui isolent très bien le son et peuvent être jusqu'à 100 fois plus légers que d'autres matériaux isolants phononiques qui ont le même effet. En génie mécanique, construction aéronautique et construction automobile légère, trop, le filtrage des fréquences perturbatrices avec des matériaux isolants légers de conception pourrait bientôt jouer un rôle majeur.
