Dans une percée pour la physique et l'ingénierie, des chercheurs de la Photonics Initiative du Advanced Science Research Center du Graduate Center, CUNY (CUNY ASRC) et de Georgia Tech ont présenté la première démonstration d'ordre topologique basé sur des modulations temporelles. Cette avancée permet aux chercheurs de propager des ondes sonores le long des limites des métamatériaux topologiques sans risquer que les ondes se déplacent en arrière ou soient contrecarrées par des défauts matériels.

Les nouvelles découvertes, qui paraissent dans le journal Avancées scientifiques , ouvrira la voie à moins cher, des appareils plus légers qui consomment moins de batterie, et qui peuvent fonctionner dans des environnements difficiles ou dangereux. Andrea Alu, directeur fondateur de la CUNY ASRC Photonics Initiative et professeur de physique au Graduate Center, CUNY, et l'associé de recherche postdoctorale Xiang Ni étaient les auteurs de l'article, avec Amir Ardabi et Michael Leamy de Georgia Tech.

Le domaine de la topologie examine les propriétés d'un objet qui ne sont pas affectées par des déformations continues. Dans un isolant topologique, les courants électriques peuvent circuler le long des limites de l'objet, et ce flux résiste à être interrompu par les imperfections de l'objet. Les progrès récents dans le domaine des métamatériaux ont étendu ces fonctionnalités pour contrôler la propagation du son et de la lumière selon des principes similaires.

En particulier, des travaux antérieurs des laboratoires d'Alù et du professeur de physique du City College de New York, Alexander Khanikaev, ont utilisé des asymétries géométriques pour créer un ordre topologique dans des métamatériaux acoustiques imprimés en 3D. Dans ces objets, les ondes sonores se sont avérées limitées à voyager le long des bords de l'objet et autour des angles vifs, mais avec un inconvénient important :ces ondes n'étaient pas entièrement contraintes, elles pouvaient se déplacer vers l'avant ou vers l'arrière avec les mêmes propriétés. Cet effet limitait intrinsèquement la robustesse globale de cette approche de l'ordre topologique du son. Certains types de désordres ou d'imperfections refléteraient en effet à l'envers le son se propageant le long des limites de l'objet.

Cette dernière expérience surmonte ce défi, montrant cette brisure de symétrie par inversion du temps, plutôt que des asymétries géométriques, peut également être utilisé pour induire un ordre topologique. En utilisant cette méthode, la propagation du son devient vraiment unidirectionnelle, et fortement robuste au désordre et aux imperfections

"Le résultat est une percée pour la physique topologique, comme nous avons pu montrer l'ordre topologique émergeant des variations temporelles, ce qui est différent, et plus avantageux, que les nombreux travaux d'acoustique topologique basés sur les asymétries géométriques, " a déclaré Alù. " Les approches précédentes nécessitaient intrinsèquement la présence d'un canal arrière à travers lequel le son pouvait être réfléchi, ce qui limitait intrinsèquement leur protection topologique. Avec les modulations temporelles, nous pouvons supprimer la propagation vers l'arrière et fournir une protection topologique solide."

Les chercheurs ont conçu un dispositif composé d'un réseau de résonateurs piézoélectriques circulaires disposés en hexagones répétitifs, comme un treillis en nid d'abeille, et lié à un disque mince d'acide polylactique. Ils l'ont ensuite connecté à des circuits externes, qui fournissent un signal modulé dans le temps qui brise la symétrie d'inversion du temps.

En prime, leur conception permet la programmabilité. Cela signifie qu'ils peuvent guider les ondes le long d'une variété de chemins reconfigurables différents, avec une perte minimale. Imagerie échographique, sonar, et les systèmes électroniques utilisant la technologie des ondes acoustiques de surface pourraient tous bénéficier de cette avancée, dit Alù.