L'histoire du développement des applications des ultrasons en physique et surtout en médecine est très riche tout au long du XXe siècle. En ce début de XXIe, les nanotechnologies poursuivent le mouvement puisque l'on envisage grâce à elles de multiplier par mille la résolution des images obtenues par échographie.
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Nanotechnologie rime souvent avec physique quantiquephysique quantique lorsque les chercheurs explorent et tentent de maîtriser le nanomonde. De l'électronique moléculaire aux applicationsapplications du nanomagnétisme, les lois de la mécanique quantique sont utilisées pour tenter de repousser toujours plus loin les frontières de nos savoirs et de nos pouvoirs. En voici une nouvelle illustration avec une publication dans Nature Communications concernant la possibilité d'un gain d'un facteur 1.000 dans la résolutionrésolution des images obtenues avec des ultrasonsultrasons.

Elle découle de travaux menés par des physiciensphysiciens du célèbre Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Il s'agit encore de nanophotonique et plus précisément de plasmonique. Des impulsions laserlaser subpicosecondes ont été utilisées pour produire et contrôler dans des nanostructures des phononsphonons dont les fréquencesfréquences sont de l'ordre de 10 gigahertz via la production de plasmonsplasmons.

Xiang Zhang, Haim Suchowski et Kevin O'Brien, quelques-uns des physiciens de l'équipe qui a produit et contrôlé des ondes sonores dans le domaine des hyperfréquences. S'il s'agissait d'ondes électromagnétiques, on parlerait de micro-ondes. © Roy Kaltschmidt

Xiang Zhang, Haim Suchowski et Kevin O'Brien, quelques-uns des physiciens de l'équipe qui a produit et contrôlé des ondes sonores dans le domaine des hyperfréquences. S'il s'agissait d'ondes électromagnétiques, on parlerait de micro-ondes. © Roy Kaltschmidt

Des ultrasons avec des plasmons

Phonons et plasmons sont des quasiparticules, c'est-à-dire des quanta d'énergieénergie émergeant du comportement collectif d'un ensemble de particules matérielles et non des quanta d'énergie de champs fondamentaux comme le sont (du moins le croit-on) les photonsphotons et les électronsélectrons. Les phonons sont les paquetspaquets d'énergie quantifiés des ondes sonoresondes sonores, en particulier dans les réseaux cristallins et les plasmons sont les paquets d'énergie associés aux ondes de densité d'électrons à la surface des métauxmétaux notamment.

Dans le cas présent, les plasmons produits par les impulsions de lumièrelumière cohérente ont chauffé une nanostructure qui, en changeant de forme sous l'effet des transferts de chaleurchaleur, génère des phonons.  L'ensemble du processus se traduit donc par la conversion des photons laser en phonons cohérents de très hautes fréquences.

On s'intéresse à la production de tels ultrasons depuis longtemps. L'imagerie médicale utilise en effet des ondes sonores dont les fréquences sont de l'ordre de 10 à 20 mégahertz. Mettre au point des dispositifs pratiques générant des fréquences de l'ordre de 10 gigahertz a donc le potentiel de révolutionner les applications de l'échographieéchographie en médecine en permettant d'obtenir un énorme gain dans la résolution des images.