À l'aide d'un réseau de nano-cordes vibrantes contrôlées par la lumière, des chercheurs de l'AMOLF ont fait bouger des ondes sonores dans une direction spécifique irréversible et atténué ou amplifié les ondes de manière contrôlée pour la première fois. Cela donne lieu à un effet laser pour le son. À leur grande surprise, ils ont découvert de nouveaux mécanismes, appelés "phases géométriques", avec lesquels ils peuvent manipuler et transmettre le son dans des systèmes où cela était considéré comme impossible. "Cela ouvre la voie à de nouveaux types de (méta)matériaux avec des propriétés que nous ne connaissons pas encore des matériaux existants", déclare le chef de groupe Ewold Verhagen qui, avec les premiers auteurs communs Javier del Pino et Jesse Slim, publie les résultats surprenants sur 2 juin dans Nature .

La réponse des électrons et d'autres particules chargées aux champs magnétiques conduit à de nombreux phénomènes uniques dans les matériaux. "Pendant longtemps, nous avons voulu savoir si un effet similaire à un champ magnétique sur les électrons pouvait être obtenu sur le son, qui n'a pas de charge", explique Verhagen. "L'influence d'un champ magnétique sur les électrons a un impact important :par exemple, un électron dans un champ magnétique ne peut pas suivre le même chemin dans le sens opposé. Ce principe est à la base de divers phénomènes exotiques à l'échelle du nanomètre, tels que comme l'effet Hall quantique et le fonctionnement des isolants topologiques (matériaux qui conduisent parfaitement le courant sur leurs bords et non dans leur masse).Pour de nombreuses applications, il serait utile que l'on puisse réaliser la même chose pour les vibrations et les ondes sonores et donc casser le symétrie de leur propagation, donc ce n'est plus une symétrie par inversion du temps."

Champ magnétique pour le son

Contrairement aux électrons, les vibrations mécaniques n'ont pas de charge et ne réagissent donc pas aux champs magnétiques. Cependant, ils sont sensibles à la pression de rayonnement de la lumière. Le groupe de Verhagen a donc utilisé la lumière laser pour influencer les nano-résonateurs mécaniques. En 2020, ils ont utilisé ces mêmes cordes vibrantes pour démontrer que la symétrie d'inversion du temps pouvait être brisée pour un son qui saute d'un résonateur à un autre :le transfert du son d'une corde à l'autre est différent de celui dans le sens opposé. Voir également l'actualité du 3 février 2020. "Nous avons maintenant montré que si nous créons un réseau de plusieurs nano-cordes vibrantes, nous pouvons réaliser une gamme de modèles vibratoires non conventionnels en éclairant les cordes avec une lumière laser", déclare Verhagen. "Par exemple, nous avons réussi à faire bouger des particules sonores (phonons) dans une seule direction de la même manière que les électrons dans l'effet Hall quantique."

Amplification

Les chercheurs ont réalisé qu'ils pouvaient également utiliser la pression de rayonnement pour contrôler l'amplification et l'atténuation du son. "Cela fonctionne de la même manière qu'un enfant sur une balançoire qui étend ou tire ses jambes au bon moment", explique Verhagen. "Une telle amplification ou atténuation n'est pas possible pour les électrons dans un champ magnétique."

Les chercheurs ont été les premiers à mener des expériences dans lesquelles la lumière motrice amplifie les ondes sonores tout en s'assurant que celles-ci subissent un effet similaire à celui d'un champ magnétique. "Nous avons découvert que la combinaison de l'amplification et de la rupture de la symétrie d'inversion du temps conduit à une gamme d'effets physiques nouveaux et inattendus", explique Verhagen. "Tout d'abord, la lumière laser détermine la direction dans laquelle le son est amplifié. Dans l'autre sens, le son est bloqué. Ceci est causé par une phase géométrique :une quantité qui indique dans quelle mesure l'onde sonore est décalée lorsqu'elle passe à travers le réseau de nano-cordes, qui dans ce cas est causée par la pression de rayonnement. Notre expérience nous a permis de contrôler et de modifier complètement cette phase géométrique. De plus, nous avons utilisé la pression de rayonnement de la lumière laser pour amplifier le son. Ce son peut même commencer à osciller spontanément, comme la lumière d'un laser. Nous avons découvert que la phase géométrique que nous appliquons détermine si cela se produit ou non, et avec quelle force d'amplification.

Nouveaux matériaux

Les chercheurs ont découvert que de nouvelles phases géométriques pouvaient être réalisées dans des systèmes où cela n'était pas considéré comme possible. Dans tous ces cas, les phases influencent l'amplification, la direction et la hauteur des ondes sonores. "Les phases géométriques sont importantes dans de nombreuses branches de la physique, décrivant le comportement de différents systèmes et matériaux. Lorsqu'elles sont combinées avec des champs magnétiques, elles peuvent conduire à un isolant topologique pour les électrons, mais dont les propriétés pourraient être une variante "saine" basée sur les principes découverts. avons est quelque chose que nous devons encore apprendre. Cependant, nous savons que cela ne ressemblera à rien de ce que nous connaissons », déclare Verhagen. "Nous pourrions étudier plus avant les effets en reliant davantage de nano-cordes dans des" métamatériaux "acoustiques que nous contrôlons avec la lumière. Mais les effets que nous avons observés devraient s'appliquer à une gamme d'ondes sans charge, y compris la lumière, les micro-ondes, les atomes froids, etc. Nous espérons qu'avec les nouveaux mécanismes que nous avons découverts, il sera possible de produire de nouveaux (méta)matériaux avec des propriétés que nous ne connaissons pas encore des matériaux existants."

De tels matériaux et systèmes ont des propriétés inhabituelles qui pourraient avoir des applications utiles. Verhagen :"Il est encore trop tôt pour donner un aperçu complet des possibilités. Cependant, nous pouvons déjà reconnaître certaines directions potentielles. Par exemple, un amplificateur unidirectionnel pour les ondes pourrait avoir des applications utiles dans la communication quantique. Nous pourrions également fabriquer des capteurs beaucoup plus sensible en brisant la symétrie d'inversion du temps." + Explorer plus loin

Les vibrations sur une puce ressentent un champ magnétique