Ondes acoustiques dans les gaz, liquides, et les solides se déplacent généralement à une vitesse du son presque constante. Les rotons sont une exception :leur vitesse du son change considérablement avec la longueur d'onde, et il est également possible que les vagues se déplacent vers l'arrière. Des chercheurs du Karlsruhe Institute of Technology (KIT) étudient les possibilités d'utiliser des rotons dans des matériaux artificiels. Ces métamatériaux conçus par ordinateur, réalisé par impression laser 3D ultra précise, pourrait être utilisé à l'avenir pour manipuler ou diriger le son d'une manière qui n'a jamais été possible auparavant. Un rapport sur les travaux des chercheurs a été publié dans Communication Nature .

Les rotons sont des quasi-particules, ce qui signifie qu'elles se comportent de la même manière que les particules libres. Contrairement aux ondes acoustiques ordinaires dans les gaz, liquides, et solides, la vitesse du son change considérablement avec la longueur d'onde. En outre, certaines fréquences génèrent trois ondes partielles différentes. "Le plus lent d'entre eux est une onde arrière :le flux d'énergie et les fronts d'onde vont dans des directions exactement opposées, " explique le professeur Martin Wegener de l'Institut de physique appliquée (APH) et de l'Institut de nanotechnologie (INT) du KIT. Comprendre et tirer parti des quasiparticules telles que les rotons est l'un des grands défis de la physique quantique. Le physicien Lev Landau, qui a remporté un prix Nobel en 1962 pour son travail révolutionnaire, prédit leur existence dans un contexte de superfluidité, une condition dans laquelle un fluide perd sa friction interne et devient thermiquement conducteur d'une manière presque idéale. Jusqu'à maintenant, les rotons ne pouvaient être observés que dans des conditions de physique quantique particulières à de très basses températures et n'étaient donc pas adaptés aux applications techniques.

Rotons sans aucun effet quantique

Cela pourrait changer à l'avenir :dans le cluster d'excellence 3D Matter Made to Order de KIT et de l'Université de Heidelberg, un groupe de chercheurs travaille sur des métamatériaux qui « font pousser » des rotons. Les métamatériaux présentent une optique, acoustique, électrique, ou des propriétés magnétiques qui ne se trouvent pas dans la nature. Les scientifiques proposent un matériau artificiel capable de produire des rotons sans aucun effet quantique dans des conditions ambiantes normales et à des fréquences ou des longueurs d'onde presque aléatoires. Ainsi, il sera peut-être possible à l'avenir de mieux manipuler les ondes sonores dans l'air ou dans les matériaux, par exemple, pour les faire rebondir, les rediriger, ou créer des échos. Ces matériaux n'ont pas encore été démontrés expérimentalement; cependant, il devrait être possible de les produire en utilisant des technologies telles que l'impression laser 3D ultra-précise. "Nous avons même fabriqué certains de ces métamatériaux entre-temps, " dit le professeur Martin Wegener. " Actuellement, nous travaillons intensivement sur la preuve expérimentale directe de l'existence des rotons."

L'impression 3D :la passerelle du numérique au monde physique

Dr Yi Chen, auteur principal de la publication, explique que les chercheurs se sont appuyés sur une combinaison de réflexion, de nombreuses discussions, simulations numériques et optimisations pour concevoir la conception virtuelle assistée par ordinateur de matériaux aux propriétés si inédites. Son travail de chercheur post-doctoral au KIT est financé par la Fondation Alexander von Humboldt et s'intègre dans un programme Helmholtz intitulé "Material Systems Engineering" lancé en 2021. "En général, notre rêve est de concevoir des matériaux sur ordinateur, puis de les transformer directement en réalité, sans années d'essais et d'erreurs. L'impression 3D n'est donc qu'un convertisseur automatisé, comme c'était, du numérique au monde physique, " explique le professeur Martin Wegener.