Dans le contexte des modalités sensorielles, les yeux fonctionnent comme de minuscules antennes, captant la lumière et les ondes électromagnétiques se propageant à des vitesses fulgurantes. Lorsque les humains regardent le monde, leurs yeux captent ces ondes et les convertissent en signaux que le cerveau interprète sous forme de couleurs, de formes et de mouvements. Il s’agit d’un processus transparent qui permet aux utilisateurs de voir clairement les détails, même lorsqu’il se passe beaucoup de choses autour d’eux.
Les oreilles, en revanche, agissent davantage comme des microphones, capturant le son grâce aux vibrations de l’air. Lorsque quelqu’un parle, les ondes sonores frappent les tympans, vibrent et envoient des signaux au cerveau. Mais contrairement à la clarté qu’offrent les yeux, les oreilles peuvent avoir du mal dans des environnements bruyants, où de nombreux types de sons différents peuvent se chevaucher.
Yue Jiang, titulaire d’un doctorat. étudiant au Charlie Johnson Group de l’Université de Pennsylvanie, compare ce défi à celui auquel les scientifiques sont confrontés lorsqu’ils tentent de filtrer le son à l’aide de la technologie moderne. « Nous avons besoin de moyens pour isoler les signaux importants du bruit, en particulier à l’heure où la communication sans fil devient si essentielle », explique Jiang. « Avec d’innombrables signaux provenant de nombreuses directions, il est facile que des interférences interfèrent avec la transmission. »
À cette fin, Jiang et son équipe du groupe Johnson ont développé un moyen de contrôler les ondes sonores à l’aide d’un processus appelé tunneling de Klein, appliqué dans une gamme de hautes fréquences.
« Ce qui est passionnant, c’est que nous avons poussé le tunneling de Klein (le mouvement de particules comme les électrons à travers une barrière énergétique) jusqu’à la gamme des gigahertz », explique Charlie Johnson. « Ce sont les fréquences auxquelles votre téléphone portable fonctionne, donc nos découvertes pourraient conduire à des systèmes de communication plus rapides et plus fiables. »
Le travail de l’équipe, publié dans la revue Appareilmarque la première démonstration du tunneling de Klein avec des ondes sonores à des fréquences aussi élevées, ouvrant la voie à des systèmes de communication plus efficaces, plus rapides et plus résistants au bruit, et cela a des implications pour les systèmes d’information quantiques, où un contrôle précis du son est essentiel. En affinant la façon dont les ondes sonores se propagent, la recherche pourrait conduire à des communications sans fil plus fiables et à des technologies avancées.
Au cœur de leurs recherches se trouvent les cristaux phononiques, des matériaux conçus pour manipuler les ondes sonores de la même manière que les cristaux photoniques contrôlent la lumière. L’équipe a gravé des motifs « en forme de flocon de neige » sur des membranes ultra-fines en nitrure d’aluminium, un matériau piézoélectrique qui convertit les signaux électriques en ondes mécaniques et vice versa, et ces motifs jouent un rôle crucial dans le guidage des ondes sonores à travers les points de Dirac, qui permettent leur permettant de franchir les barrières énergétiques avec une perte d’énergie minimale.
Les membranes, d’une épaisseur de seulement 800 nanomètres, ont été conçues et fabriquées au Penn’s Singh Center for Nanotechnology.
« Les motifs de flocons de neige nous permettent d’affiner la façon dont les ondes se propagent à travers le matériau », explique Jiang, « nous aidant à réduire les réflexions indésirables et à augmenter la clarté du signal ».
Pour confirmer leurs résultats, les chercheurs ont collaboré avec le groupe de recherche de Keji Lai à l’Université du Texas à Austin en utilisant la microscopie à impédance micro-ondes en mode transmission (TMIM) pour visualiser les ondes sonores en temps réel. « TMIM nous a permis de voir ces ondes se déplacer à travers les cristaux à des fréquences de l’ordre du gigahertz, ce qui nous a donné la précision nécessaire pour confirmer que l’effet tunnel de Klein se produisait », explique Jiang.
Le succès de l’équipe s’appuie sur des travaux antérieurs avec le laboratoire de Lai, qui ont exploré le contrôle des ondes sonores à des fréquences plus basses. « Nos travaux antérieurs avec Keji nous ont aidés à comprendre la manipulation des ondes », explique Johnson. « Le défi consistait à étendre cette compréhension à des fréquences beaucoup plus élevées. »
Lors d’expériences récentes, l’équipe a démontré une transmission presque parfaite des ondes sonores à des fréquences comprises entre 0,98 GHz et 1,06 GHz. En contrôlant l’angle selon lequel les ondes pénétraient dans les cristaux phononiques, ils pouvaient guider les ondes à travers les barrières avec peu de perte d’énergie, faisant de leur méthode un moyen très efficace de filtrer et de diriger les signaux sonores.
À mesure que les membres de l’équipe progressent, ils explorent les applications potentielles de leurs découvertes dans des domaines tels que la communication sans fil 6G, où la demande d’une transmission de données plus rapide et de moins d’interférences est essentielle.
« En contrôlant plus précisément les ondes sonores, nous pourrions permettre à davantage d’utilisateurs de se connecter simultanément dans des bandes de fréquences densément peuplées », explique Jiang.
Ils testent également de nouveaux matériaux, tels que le nitrure d’aluminium dopé au scandium, qui pourraient améliorer l’effet tunnel de Klein et offrir des performances encore meilleures à des fréquences plus élevées. « Nous repoussons les limites pour voir jusqu’où nous pouvons étendre ces principes », explique Jiang, « et comment ils peuvent être appliqués aux technologies classiques et quantiques ».
À terme, les chercheurs espèrent développer des filtres ultra-précis et dépendants de l’angle pour diverses applications, notamment la communication sans fil, l’imagerie médicale et l’informatique quantique.
« Cette recherche n’est qu’un début », déclare Johnson. « Nous préparons le terrain pour une nouvelle génération d’appareils acoustiques qui pourraient vraiment changer notre façon de concevoir la transmission et le contrôle des ondes sonores. »
Plus d’informations :
Daehun Lee et al, tunneling Klein d’ondes élastiques gigahertz dans des métamatériaux nanoélectromécaniques, Appareil (2024). DOI : 10.1016/j.device.2024.100474