Une onde acoustique obéissant à la réciprocité; il se déplace vers l'extérieur dans toutes les directions (comme des cercles concentriques qui se forment après la chute d'une pierre dans un étang). Crédit :Université de Buffalo
La réciprocité n'est pas toujours une bonne chose.
En physique, par exemple, il concerne les ondes électromagnétiques et acoustiques. L'idée est que les ondes se déplacent de la même manière vers l'arrière que vers l'avant. Ce qui est bien, sauf que les vagues rencontrent des obstacles (gratte-ciel, vent, personnes) qui leur font perdre de l'énergie.
Mais et si vous pouviez briser cette règle et guider les vagues autour de ces obstacles ? Ou un objet absorbe-t-il complètement l'onde dans une direction spécifique ? De telles fonctionnalités pourraient modifier la façon dont l'électronique, des dispositifs photoniques et acoustiques sont conçus et utilisés.
Les ingénieurs de l'Université de Buffalo ont fait un pas dans cette direction. Travaillant dans un domaine émergent connu sous le nom de "métamatériaux variant dans l'espace-temps, " les ingénieurs ont démontré la capacité de casser la réciprocité dans les ondes acoustiques.
Une étude décrivant leur travail, qui est soutenu par la National Science Foundation, a été publié le 14 février dans Examen physique appliqué des lettres, un journal publié par l'American Physical Society.
"Nous avons démontré expérimentalement qu'il est possible de rompre la réciprocité des ondes acoustiques avec des propriétés matérielles qui changent simultanément dans le temps et dans l'espace, " dit l'enquêteur principal du projet, Mostafa Nouh, Doctorat., professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial à la Faculté de génie et des sciences appliquées.
Une onde acoustique qui brise la réciprocité ; sa trajectoire (les protubérances en forme de cône ascendant) est unidirectionnelle et ne se propage que vers la gauche. Crédit :Université de Buffalo
Les co-auteurs sont M. Ali Attarzadeh et Jesse Callanan, les deux Ph.D. candidats dans le laboratoire de Nouh.
Pour mener les expériences, Nouh et les étudiants ont construit une poutre constituée d'un thermoplastique commun (acrylonitrile butadiène styrène, ou ABS) barre équipée de 20 résonateurs en aluminium, chacun en forme de rectangle.
Les moteurs permettent aux ingénieurs de programmer chaque résonateur, qui sont regroupés par paires de quatre, pour tourner à intervalles d'angle de 45 degrés. Par exemple, le premier résonateur est à 0 degré, la seconde à 45 degrés, le troisième à 90 degrés et le quatrième à 135 degrés. Le prochain groupe de quatre suit le même modèle, etc.
Le spin est à la fois fonction de l'espace (les intervalles de 45 degrés) et du temps (les millisecondes entre leurs orientations angulaires). D'où le nom, métamatériaux variant dans l'espace-temps.
Lorsqu'il est activé, les résonateurs en rotation ressemblent à des pistons de voiture qui tournent au lieu de pomper de haut en bas. Ce qu'ils font, cependant, modifie la "rigidité, " qui est sa résistance à être déformé par une force appliquée.
Avant de tester le faisceau, l'équipe a effectué des simulations informatiques qui prédisaient que la réciprocité se briserait à des variations très rapides de la rigidité. En d'autres termes, plus les résonateurs tournent vite, plus ils pourraient rompre la réciprocité.
Alors les ingénieurs ont poussé les moteurs jusqu'à 2, 000 tours par minute (tr/min). Pour voir si c'était assez rapide, les ingénieurs ont envoyé des vibrations (une onde acoustique) à travers le faisceau via un actionneur piézoélectrique. A l'aide d'un vibromètre laser Doppler à balayage, ainsi qu'une caméra thermique (pour s'assurer que de légères fluctuations de température n'influencent pas l'expérience), Nouh et ses étudiants ont découvert que le schéma selon lequel la vague est revenue à son origine s'écartait largement de son cours initial.
"C'est la preuve que la vague agit de manière non réciproque, " dit Callanan.
Dans un autre essai, avec les résonateurs ne tournant qu'à 100 tr/min, la rigidité de la poutre a à peine bougé. Nouh et les étudiants ont découvert que la vague est revenue à son point d'origine de la même manière qu'elle est partie, indiquant que la réciprocité n'a pas été rompue.
"Les expériences démontrent non seulement notre capacité à briser la réciprocité des ondes acoustiques, mais confirmons notre hypothèse selon laquelle une telle rupture dépend de la vitesse de modulation de la rigidité par l'action de rotation, " dit Attarzadeh.
La capacité de manipuler les ondes de cette manière, une première preuve de concept en son genre, a de nombreuses utilisations possibles. Par exemple, vous pourriez construire un mur qui permet au son de passer facilement dans une direction mais pas dans l'autre sens. Cela pourrait améliorer la façon dont les véhicules autonomes communiquent entre eux. Il pourrait augmenter la résolution de l'imagerie médicale par ultrasons, qui souffre généralement d'une limitation appelée "artefacts de réflexion" qui peut conduire les médecins à mal interpréter les images.
Mais Nouh prévient que la réalisation du laboratoire n'est pas encore prête pour la commercialisation. Par exemple, le faisceau construit par l'équipe est grand et devrait être réduit, probablement grâce à l'impression 3D ou à d'autres outils de nanofabrication. Aussi, les matériaux utilisés par l'équipe chauffent trop vite. Pour surmonter cela, des matériaux plus avancés et plus coûteux sont probablement nécessaires.
