Des chercheurs de l'Advanced Science Research Center (ASRC) du Graduate Center de la City University of New York et du City College of New York (CCNY) ont développé un métamatériau capable de transporter le son de manière inhabituellement robuste le long de ses bords et de le localiser. à ses coins.

Selon un nouvel article publié aujourd'hui dans Matériaux naturels , le matériau nouvellement conçu crée une structure acoustique robuste qui peut contrôler de manière inhabituelle la propagation et la localisation du son même lorsque des imperfections de fabrication existent. Cette propriété unique peut améliorer les technologies qui utilisent des ondes sonores, tels que les sonars et les appareils à ultrasons, les rendant plus résistants aux défauts.

La recherche est une collaboration entre les laboratoires d'Alexander Khanikaev, professeur dans les départements d'électrotechnique et de physique du CCNY également affilié à l'ASRC, et d'Andrea Alù, directeur de l'Initiative photonique de l'ASRC. Leur avancée est basée sur des travaux qui ont introduit un domaine des mathématiques appelé topologie dans le monde de la science des matériaux. La topologie étudie les propriétés d'un objet qui ne sont pas affectées par des déformations continues. Par exemple, un beignet est topologiquement équivalent à une paille en plastique, car ils ont tous les deux un trou. L'un pourrait être moulé dans l'autre en étirant et en déformant l'objet, et sans le déchirer ni ajouter de nouveaux trous.

En utilisant des principes topologiques, les chercheurs ont prédit et découvert plus tard des isolants topologiques - des matériaux spéciaux qui conduisent les courants électriques uniquement sur leurs bords, pas en vrac. Leurs propriétés de conduction inhabituelles découlent de la topologie de leur bande interdite électronique, et ils sont donc exceptionnellement résistants aux changements continus, comme le désordre, bruit ou imperfections.

« Il y a eu beaucoup d'intérêt à essayer d'étendre ces idées des courants électriques à d'autres types de transport de signaux, notamment aux domaines de la photonique topologique et de l'acoustique topologique, " dit Alù. " Ce que nous faisons, c'est construire des matériaux acoustiques spéciaux qui peuvent guider et localiser le son de manière très inhabituelle. "

Pour concevoir leur nouveau métamatériau acoustique, l'équipe a imprimé en 3D une série de petits trimers, disposés et reliés en un réseau triangulaire. Chaque unité de trimère se composait de trois résonateurs acoustiques. La symétrie de rotation des trimères, et la symétrie chirale généralisée du réseau, ont donné à la structure des propriétés acoustiques uniques qui découlent de la topologie de leur bande interdite acoustique.

Les modes acoustiques des résonateurs hybridés, donnant lieu à une structure de bande acoustique pour l'ensemble de l'objet. Par conséquent, lorsque le son est joué à des fréquences en dehors de la bande interdite, il peut se propager dans la majeure partie du matériau. Mais lorsque le son est joué à des fréquences à l'intérieur de la bande interdite, il ne peut se déplacer que le long des bords du triangle ou être localisé à ses angles. Cette propriété, Alu dit, n'est pas affecté par le désordre ou les erreurs de fabrication.

"Vous pourriez supprimer complètement un coin, et tout ce qui reste formera le nouveau coin du treillis, et cela fonctionnera toujours de la même manière, en raison de la robustesse de ces propriétés, " Alu dit

Pour casser ces propriétés, les chercheurs ont dû réduire la symétrie du matériau en, par exemple, changer le couplage entre les unités de résonateur, ce qui modifie la topologie de la structure de la bande et modifie ainsi les propriétés du matériau.

"Nous avons été les premiers à construire un métamatériau topologique du son supportant différentes formes de localisation topologique, le long de ses bords et à ses angles.", dit Khanikaev. "Nous avons également démontré que des techniques de fabrication avancées basées sur des éléments acoustiques imprimés en 3D peuvent réaliser des géométries de complexité arbitraire dans une plate-forme simple et flexible, ouvrant des opportunités de rupture dans le domaine des matériaux acoustiques. Nous avons récemment travaillé sur des conceptions de métamatériaux 3D encore plus complexes basées sur ces techniques, qui élargira encore les propriétés des matériaux acoustiques et étendra les capacités des dispositifs acoustiques".

"Nous montrons, fondamentalement, qu'il est possible de permettre de nouvelles formes de transport du son beaucoup plus robustes que celles auxquelles nous sommes habitués. Ces résultats peuvent trouver des applications en imagerie ultrasonore, acoustique sous-marine et technologie sonar, " a déclaré Alu.