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Une superlentille... acoustique

ActualitéClassé sous :physique , métamatériau , lentille optique

On connaissait les métamatériaux, aux propriétés optiques surprenantes, qui permettraient de réaliser des lentilles de qualité exceptionnelle voire de créer une « cape d'invisibilité » chère à Harry Potter. Des chercheurs viennent de réaliser un système équivalent pour les ondes sonores. De quoi démultiplier les performances des échographies et, peut-être, de détrôner un jour les rayons X, bien plus dangereux.

La super lentille acoustique portée par Shu Zhang (doctorante), avec Nicholas X. Fang, à gauche, et, à droite, Leilei Yin, spécialiste de microscopie au Beckman Institute. © L. Brian Stauffer

Ils décrivent eux-mêmes leur réalisation - une première - comme une « superlentille acoustique ». Elle prend la forme d'une dalle de plastique gravée d'un grand nombre de minuscules cavités. Grâce elle, Nicholas X. Fang et ses collègues de l'université de l'Illinois sont parvenus à focaliser des ultrasons (de fréquence 60,5 kHz) sur un point de moitié inférieure à la longueur de ces ondes sonores.

Cette lentille est plane et ses gravures y forment un métamatériau, c'est-à-dire un matériau constitué d'un ensemble de structures de petites dimensions par rapport à l'onde qui y circule. Des nouvelles propriétés apparaissent alors. C'est dans le domaine radio, infrarouge et optique que ces métamatériaux se font fait connaître. En installant une myriade de minuscules structures métalliques (aiguilles, cercles...) sur une surface ou dans un volume, on peut obtenir un objet au sein duquel un rayon électromagnétique subit une réfraction négative, une propriété qui n'existe pas dans la nature. Avec elle, l'expérience du bâton brisé, plongé dans l'eau et qui semble s'orienter davantage vers le bas, montrerait un résultat différent : le bâton semblerait encore plus plié, courbé au point de paraître revenir en l'arrière.

Grâce à ces métamatériaux, il est possible de réaliser des lentilles plates qui, surtout, présenteraient une bien meilleure résolution. On imagine aussi parvenir à dévier suffisamment les ondes pour leur faire contourner un objet placé au creux du métamatériau. On obtiendrait ainsi une véritable invisibilité. Pour l'instant, les résultats sont limités. L'effet ne s'observe que dans un plan et sur des gammes de longueurs d'onde étroites et n'atteignant que rarement le domaine du visible.

Des résonateurs de la dimension des longueurs d'onde du son

Mais ces propriétés sont fascinantes et ouvrent sans aucun doute des possibilités à venir très intéressantes. Elles déborderont à coup sûr le domaine optique puisque, déjà, les principes qui ont conduit aux métamatériaux pourraient également servir... à lutter contre les tsunamis. Les phénomènes ondulatoires guidant les trajectoires de rayons électromagnétiques se produisent en effet pour d'autres types d'ondes, notamment des vagues.

L'équipe de Nicholas Fang vient à son tour d'étendre le domaine des métamatériaux, cette fois dans l'acoustique. Les structures gravées agissent comme une succession de résonateurs de Helmoltz. Inventé à la fin du dix-neuvième siècle, ce dispositif consiste en une cavité dont la dimension est très inférieure à la longueur d'onde du son qui le traverse. L'une de ses applications est d'absorber une certaine gamme de fréquences pour réaliser une insonorisation.

Les chercheurs, qui décrivent leur prototype dans la revue Physical Review Letters, expliquent que ces résonateurs agissent comme des condensateurs d'un système électronique tandis que les canaux reliant ces résonateurs seraient l'équivalent des bobines.

Les résultats obtenus permettent déjà, expliquent les auteurs, de parvenir à une imagerie acoustique, comme on la pratique déjà avec les sonars et les échographes. Mais les performances apportées par cette superlentille augmenteraient considérablement la résolution (dans une proportion que les auteurs, hélas, ne précisent pas). Celle des rayons X (dont la longueur d'onde est bien plus courte) est bien meilleure mais, en médecine, une imagerie acoustique, moins dangereuse pour l'organisme, serait préférable dans de nombreux cas, comme elle l'est déjà aujourd'hui malgré les maigres résolutions des échographies.

Les auteurs pensent que les applications de l'imagerie acoustique vont bien au-delà de la médecine, par exemple pour la détection de criques dans un bâtiment ou une structure. Fang imagine même de rendre un jour des sous-marins invisibles aux sonars grâce à une couverture de métamatériaux...

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