Dans la pénombre, un chat voit bien mieux que vous, tout comme les chiens et les animaux nocturnes. En effet, la structure de l’œil de chat comporte un tapetum lucidum, une couche semblable à un miroir située immédiatement derrière la rétine. La lumière qui pénètre dans l’œil et qui n’est pas focalisée par le cristallin sur la rétine est réfléchie par le tapetum lucidum, où la rétine a une autre chance de recevoir la lumière, de la traiter et d’envoyer des impulsions au nerf optique.
Les opticiens appellent cela un cristal photonique. Pour un chat, il s’agit de bâtonnets parallèles périodiques : ils contiennent des bandes interdites photoniques qui sont utilisées pour modifier le flux de lumière, semblables aux bandes interdites électroniques dans les semi-conducteurs, qui sont des régions énergétiques où aucun état énergétique électronique n’existe. Ces matériaux ont des changements dans leur index de réfraction et ainsi modifier et rediriger la propagation de la lumière.
Un autre exemple est celui des balises réfléchissantes sur le trottoir des autoroutes qui brillent la nuit grâce aux phares d’une voiture. Les cristaux photoniques, comme ces derniers, sont fabriqués via des couches de films minces par photolithographie, perçage de trous, écriture laser et autres techniques.
Les cristaux photoniques interdisent la lumière de certaines fréquences dans les parties du milieu cristallin traversées par la lumière. Tel que défini par la science, ces cristaux ont des régions périodiques distinctes, chacune avec une constante diélectrique périodique.
Un diélectrique est un matériau électriquement isolant, sans électrons ni atomes libres, s’opposant au flux d’électrons lorsqu’un champ électrique est appliqué. Au lieu de cela, un matériau diélectrique se polarise lorsqu’un champ électrique est appliqué, ses molécules pointant toutes dans la même direction. L’eau distillée (eau purifiée qui ne contient aucun minéral) est un matériau diélectrique, tout comme le verre, la porcelaine, l’air sec, le papier et bien d’autres matériaux. Les diélectriques sont utilisés dans les condensateurs, les écrans à cristaux liquides et d’autres appareils.
En élargissant ce concept, les « cristaux photoniques fonctionnels » sont des matériaux qui présentent un changement d’indice de réfraction doux et continu, au lieu d’une périodicité nette et distincte. Cela permet un contrôle électronique rapide des propriétés d’un matériau.
Les mêmes concepts existent pour les cristaux phononiques. Les phonons sont des ondes sonores quantifiées, tout comme les photons sont des ondes lumineuses quantifiées. Un cristal phononique est un solide dont les propriétés changent continuellement, créant une bande interdite pour les énergies photoniques. Les structures artificielles avec une variation périodique des paramètres élastiques peuvent manipuler la propagation des ondes élastiques.
Aujourd’hui, une équipe dirigée par David Röhlig de la Technische Universität Chemnitz en Allemagne propose de créer des cristaux phononiques fonctionnels, avec des changements doux et continus des propriétés élastiques au lieu de variations périodiques strictes. La recherche est publié dans la revue Lettres Europhysiques.
L’indice de réfraction du son changerait continuellement à l’intérieur du milieu de propagation, au lieu de fonction étape discontinuités. Dans la nature, ces substances sont responsables de la propagation des ondes sonores à grande longueur d’onde dans l’eau et des ondes sonores courbées dans la basse atmosphère.
À l’aide de simulations informatiques hautes performances, l’équipe s’est concentrée sur la compréhension de l’effet d’un léger écart dans les propriétés des matériaux par rapport à la discontinuité typique de la fonction échelon sur la densité phononique des états énergétiques.
Leurs résultats étaient surprenants : même de petits écarts par rapport à la fonction échelonnée idéale d’un matériau pouvaient provoquer des changements importants et radicaux dans la structure de la bande phononique. Cela conduirait à l’émergence de nombreuses fonctionnalités recherchées, telles que des bandes interdites de phonons plus grandes et des bandes interdites phononiques multiples.
Étant donné que la densité phononique des états peut changer si rapidement pour de petits changements dans les propriétés du matériau, de telles propriétés s’avéreraient utiles, par exemple, dans la fabrication de lentilles phononiques dans des matériaux solides ou dans l’eau, ou pour de nouveaux dispositifs en science des matériaux, en physique appliquée et en ingénierie. .
« Nos résultats présentent une nouvelle perspective sur les structures phononiques », a déclaré Röhlig, « offrant une voie supplémentaire pour induire la formation de bandes interdites dans des géométries spécifiques dépourvues de cette caractéristique. » Notant que la convergence rapide de la densité d’états à mesure que les paramètres de la fonction d’étape changent pour être plus continue, Röhlig note que les changements rapides rationaliseraient les approches de fabrication potentielles.
« Si d’autres études peuvent valider expérimentalement nos prédictions, nos résultats pourraient trouver des applications en microtechnologie et mécatronique pour la conception de transducteurs et d’actionneurs acousto-mécaniques », a-t-il déclaré.
Même des environnements à grande échelle pourraient être façonnés, « comme en aménageant des arbres ou d’autres unités de construction en bois, [objects] qui ont un profil de paramètres radialement continu connu ou spécialement conçu en ce qui concerne la densité et les propriétés élastiques, pour améliorer l’insonorisation ambiante.
Plus d’information:
David Röhlig et al, Fonction cristaux phononiques, Lettres Europhysiques (2024). DOI : 10.1209/0295-5075/ad1de9
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