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Les métamatériaux acoustiques sont des mésostructures (d’une échelle située entre le microscopique et le macroscopique) capables de contrôler, manipuler et diriger les ondes sonores en modifiant leurs caractéristiques sous-jacentes. Les progrès réalisés au cours des dernières années dans ces structures ont donné naissance à des matériaux dits phononiques, capables de sculpter activement le flux d’ondes sonores de manière très spécifique.
À titre d’exemple, les matériaux phononiques qui offrent une réfraction nulle voire négative peuvent contrôler le son à une échelle inférieure à la longueur d’onde, ce qui permet un contrôle précis du champ sonore et de l’énergie acoustique.
Cela ouvre une série de possibilités pratiques, notamment des technologies de camouflage acoustique. Cela permet également d’étudier la mécanique quantique, en comprenant mieux les propriétés physiques sous-jacentes des ondes sonores elles-mêmes.
«Nous voulions découvrir des propriétés entièrement nouvelles en physique des ondes sonores», explique Johan Christensen, chargé de recherche à l’université Carlos III de Madrid. «Nous voulions également améliorer certains aspects technologiques de l’acoustique dans notre vie quotidienne», ajoute-t-il.
Ces deux axes ont constitué l’épine dorsale du projet PHONOMETA, financé par l’UE et soutenu par le Conseil européen de la recherche. «Cela implique d’examiner en profondeur la mécanique quantique et d’essayer de transférer certaines des connaissances de ce domaine à l’acoustique», ajoute Johan Christensen, qui a assuré la coordination du projet PHONOMETA.
Immersion dans la physique théorique
Le projet PHONOMETA a créé une classe de matériaux artificiels connus sous le nom de systèmes symétriques PT. La symétrie PT est un concept fondamental de la mécanique quantique, selon lequel un système évoluerait exactement de la même manière, que le temps s’écoule en avant ou en arrière, tout en étant transformé en son image symétrique.
En acoustique, les systèmes symétriques PT sont des matériaux artificiels qui contiennent des unités de gain (qui amplifient les ondes sonores) et des unités de perte (qui réduisent l’amplitude des ondes).
«C’est la combinaison des deux, un concept emprunté à la mécanique quantique, qui conduit à des caractéristiques de propagation très inhabituelles des ondes sonores», explique Johan Christensen.
Les unités de perte sont faciles à produire en acoustique: tout matériau de type éponge ou mousse fait perdre de l’énergie au son. Mais la composante de gain est compliquée, fait remarquer Johan Christensen. En optique, cela pourrait se faire à l’aide d’un laser. Mais ce type de technologie n’existe pas en acoustique.
Le projet PHONOMETA prévoyait initialement d’utiliser des semi-conducteurs piézoélectriques, des matériaux qui peuvent provoquer une sorte de gain acoustique lorsqu’un champ électrique leur est appliqué.
Au cours des dernières étapes, l’équipe a découvert que les films de nanotubes de carbone constituaient de meilleurs candidats. Ces films, constitués d’un empilement de feuilles de graphène, possèdent des propriétés électriques, mécaniques et optiques exceptionnelles qui permettent un meilleur contrôle. Johan Christensen et son équipe ont utilisé ces matériaux comme composant de gain dans les systèmes symétriques PT qu’ils ont créés.
Une cape d’inaudibilité
L’une des principales contributions du projet a été l’exploitation des propriétés non réfléchissantes de ces nouveaux matériaux. À un certain seuil, en augmentant le contraste entre la perte et le gain, le matériau se révèle acoustiquement transparent, c’est-à-dire qu’il ne génère pas d’échos et qu’il devient effectivement invisible. L’équipe a poussé ce concept plus loin, jusqu’à créer une cape d’invisibilité.
«Depuis des siècles, les gens rêvent d’une cape d’invisibilité qui les rendrait indiscernables à l’œil nu lorsqu’ils sont cachés sous celle-ci», fait remarquer Johan Christensen. En optique, cela implique de supprimer non seulement la lumière réfléchie par un objet, mais également son ombre pour le faire disparaître complètement.
C’est exactement ce que l’équipe a réussi à faire sur le plan acoustique, en cachant un objet de la taille d’un réfrigérateur. «Le gain et la perte acoustiques sont combinés pour produire une réflexion nulle et un effet décroissant de l’ombre acoustique», explique Johan Christensen. Développée plus avant, cette technologie pourrait permettre d’améliorer considérablement la furtivité d’objets plus grands, comme les sous-marins.