Quand tu frappes sur un melon pour voir s'il est mûr, vous utilisez des ondes sonores pour sonder la structure du matériau à l'intérieur. Des physiciens de l'Université de Chicago utilisaient le même concept pour explorer la façon dont les ondes sonores traversaient des structures à motifs lorsqu'ils remarquèrent une bizarrerie :des structures complètement différentes sonnaient de la même manière.

C'était une chose surprenante, un peu comme frapper sur un melon et un ananas, et découvrant qu'ils faisaient tous les deux le même son.

"Ce qui nous a enthousiasmés, c'est que nous ne pouvions pas expliquer nos découvertes en utilisant des concepts existants, comme les symétries spatiales, " dit Vincenzo Vitelli, professeur de physique à l'Institut James Franck.

Ce que Vitelli et son groupe avaient découvert était une dualité, une symétrie "cachée" reliant des systèmes apparemment sans rapport. Publié dans La nature , leur étude pourrait un jour aider à concevoir des métamatériaux ou même des dispositifs microscopiques qui traitent les informations codées dans les ondes sonores.

Au cours des années, la physique a construit un cadre pour prédire les propriétés d'un objet en fonction de ses symétries spatiales. "Regardez un modèle plastique d'une molécule de méthane :ses atomes d'hydrogène forment un tétraèdre régulier. Cela vous en dit long sur la façon dont la molécule vibre, " dit Michel Fruchart, chercheur postdoctoral et premier auteur de l'article. Dans le même esprit, Les modèles LEGO ont aidé les auteurs de cette étude à découvrir leurs dualités. (Une démonstration vidéo est disponible sur leur site.)

Et si ces dualités pouvaient être exploitées pour doter un matériau de propriétés qu'il n'aurait pas autrement ?

Au cours des dernières années, il y a eu une explosion d'intérêt dans un domaine appelé métamatériaux. Ce sont des structures artificielles conçues pour avoir des caractéristiques qui ne sont normalement pas attendues dans la nature. Par exemple, beaucoup de réflexion a été consacrée à la réalisation d'une "cape d'invisibilité" utilisant des matériaux composites qui courbent la lumière entrante autour d'eux en raison de leur géométrie interne.

Fruchart et Vitelli ont imaginé utiliser cette approche pour prendre une particule telle qu'un phonon - essentiellement une particule de chaleur - et lui donner des propriétés qu'elle n'a pas habituellement.

Les électrons ont une propriété appelée "spin" qui est utilisée comme base pour certains des derniers appareils électroniques de haute technologie. Les phonons n'ont pas de tournure, mais si les scientifiques pouvaient façonner la structure des matériaux pour donner aux phonons une « fausse rotation, " ils pourraient potentiellement les utiliser dans des appareils phononiques, similaires à l'électronique, mais avec des capacités différentes, comme le contrôle de la chaleur.

"En déplaçant les phonons, on pourrait traiter les informations stockées dans leur pseudo-spin, " dit Vitelli.

Ils ont appelé ce concept « spintronique mécanique ». Les scientifiques ont déclaré qu'ils espéraient que les dualités pourraient s'avérer tout aussi importantes dans la conception des métamatériaux que les symétries le sont actuellement.

"Notre approche s'applique également à d'autres vagues, pas seulement des phonons, par exemple, ondes de lumière et de matière, " dit Fruchart.