Des physiciens de l'Université de l'Oregon ont mis au point une nouvelle méthode pour manipuler le son :arrêtez-le, l'inverser, le stocker et même l'utiliser plus tard dans des structures composites synthétiques appelées métamatériaux.

La découverte a été faite en utilisant une analyse théorique et informatique des vibrations mécaniques de plaques élastiques minces, qui servent de blocs de construction pour la conception proposée. Les physiciens, Pragalv Karki et Jayson Paulose, a également développé un modèle minimal plus simple composé de ressorts et de masses démontrant la même capacité de manipulation du signal.

"Il y a eu beaucoup de mécanismes qui peuvent guider ou bloquer la transmission des ondes sonores à travers un métamatériau, mais notre conception est la première à arrêter et à inverser dynamiquement une impulsion sonore, " dit Karki, chercheur postdoctoral au Département de physique et à l'Institut des sciences fondamentales de l'UO.

L'interaction entre la rigidité en flexion et la tension globale, deux paramètres physiques régissant la transmission du son dans les plaques minces, est au cœur de leur mécanisme de manipulation du signal. Bien que la rigidité en flexion soit une propriété matérielle, la tension globale est un paramètre contrôlable de l'extérieur dans leur système.

Karki et Paulose, professeur assistant de physique et membre de l'Institut des sciences fondamentales, décrit leur nouveau mécanisme, qu'ils appellent accord de dispersion dynamique, dans un article publié en ligne le 29 mars dans la revue Examen physique appliqué .

« Si vous jetez une pierre sur un étang, tu vois les ondulations, " dit Karki. " Mais que se passe-t-il si vous lancez la pierre et qu'au lieu de voir des ondulations se propager vers l'extérieur, vous voyez juste le déplacement de l'eau monter et descendre au point d'impact ? C'est similaire à ce qui se passe dans notre système."

La capacité de manipuler le son, la lumière ou toute autre onde dans les métamatériaux fabriqués artificiellement est un domaine de recherche actif, dit Karki.

Métamatériaux optiques ou photoniques, qui présentent des propriétés telles qu'un indice de réfraction négatif impossible avec les matériaux conventionnels, ont été initialement développés pour contrôler la lumière de manière à pouvoir créer des capes d'invisibilité et des super lentilles.

Leur utilisation est explorée dans diverses applications telles que l'aérospatiale et la défense, électronique grand public, dispositifs médicaux et récupération d'énergie.

Les métamatériaux acoustiques sont généralement statiques et immuables une fois produits, et le réglage dynamique de leurs propriétés est un défi permanent, dit Karki. D'autres groupes de recherche ont proposé plusieurs stratégies pour régler la transmission acoustique, allant des conceptions inspirées de l'origami à la commutation magnétique.

"Dans notre cas, l'accordabilité vient de la possibilité de changer la tension des membranes en forme de tambour en temps réel, " dit Karki.

Inspiration supplémentaire, Karki et Paulose ont noté, est issu de la recherche dans le laboratoire UO du physicien Benjamín Alemán. Dans Communication Nature en 2019, Le groupe d'Alemán a dévoilé un bolomètre nanomécanique en graphène, une membrane en forme de tambour qui peut détecter les couleurs de la lumière à haute vitesse et à haute température. L'approche exploite un changement de tension globale.

Alors que le mécanisme dans le nouvel article a été identifié théoriquement et doit être prouvé dans des expériences de laboratoire, Karki a dit, il est convaincu que l'approche fonctionnera.

"Notre mécanisme d'accord de dispersion dynamique est indépendant de l'utilisation de l'acoustique, ondes lumineuses ou électroniques, " a déclaré Karki. " Cela ouvre également la possibilité de manipuler des signaux dans des systèmes photoniques et électroniques. "

Possibilités, il a dit, comprennent un traitement et un calcul améliorés du signal acoustique. Concevoir des métamatériaux acoustiques à base de graphène, tels que ceux développés dans le laboratoire d'Alemán, pourrait conduire à une variété d'utilisations comme l'informatique basée sur les ondes, transistors micromécaniques et dispositifs logiques, guides d'ondes et capteurs ultra-sensibles.

"Notre conception pourrait être construite à l'échelle microscopique avec du graphène et à grande échelle en utilisant des feuilles de membrane en forme de tambour, " dit Karki. " Vous frappez la chaîne de tambours, créer un motif sonore particulier qui se déplace dans une direction, mais en accordant la tension des tambours, nous pouvons arrêter le son et le stocker pour une utilisation future. Il peut être inversé ou manipulé dans n'importe quel nombre d'autres modèles."