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Ils rendent le lait transparent !

Jean-François Preveraud

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Ils rendent le lait transparent !

Dispositif laser-ultrasons permettant d'étudier la propagation des ondes à travers une plaque métallique percée de trous aléatoirement distribués. La largeur W du guide est de 40 mm et l'épaisseur L du milieu opaque de 20 mm.

© DR

Des chercheurs de l’Institut Langevin (CNRS/ESPCI ParisTech) sont parvenus à obtenir à la demande une transmission ou une réflexion totale des ondes acoustiques traversant un milieu désordonné bidimensionnel, tel le lait ou le papier. Ils montrent dans ces travaux publiés dans Physical Review Letters comment rendre n’importe quel milieu opaque parfaitement transparent ou réfléchissant. Une découverte qui pourrait avoir un impact important sur les transmissions de données dans les fibres optiques.

Le lait, le papier, ou la neige sont des milieux désordonnés optiquement opaques. Ils sont composés d’un dédale de particules disposées de manière aléatoire. La lumière est fortement diffusée par ces particules si bien que seule une fraction infime de celle-ci arrive à les traverser. Ainsi, une onde plane unique ne peut se faufiler au sein de tels milieux. Toutefois, il y a trente ans, des théoriciens ont démontré qu’une combinaison de plusieurs ondes planes provenant de différentes directions pouvait interférer de manière constructive et arriver à traverser un milieu opaque comme s’il était parfaitement transparent.

Ce résultat a considérablement intéressé la communauté scientifique, mais, bien que beaucoup de travaux passés mentionnent l’existence de ces ‘‘canaux ouverts’’ dans les milieux diffusants, ils n’ont jamais été mesurés. Pour accéder à ces canaux, il faut en effet pouvoir contrôler parfaitement les ondes entrant et sortant du milieu, c’est-à-dire avoir la capacité d’illuminer et d’observer le milieu dans toutes les directions possibles, et ce avec suffisamment de précision. Ceci se révèle être particulièrement difficile en pratique. Ce concept est donc longtemps resté une curiosité pour les théoriciens et un doux rêve pour les expérimentateurs.

                   

           Haut : Champ associé à un canal fermé (gauche) et un canal ouvert (droite)
                                        au sein du milieu désordonné.
           Bas : Intensité moyennée sur l'épaisseur du guide en fonction de la profondeur X.
      Pour un canal fermé (gauche), l'intensité de l'onde est nulle à la sortie du milieu : l'onde
        rebrousse totalement chemin et le milieu diffusant est rendu totalement réfléchissant.
      Pour un canal ouvert, l'intensité de l'onde à la sortie du milieu est égale à son intensité à
son entrée : l'onde est totalement transmise et le milieu diffusant est rendu totalement transparent.

Les chercheurs de l’Institut Langevin (CNRS/ESPCI ParisTech) ont étudié la propagation d’ultrasons à travers un guide d’onde désordonné : une plaque métallique d’aluminium percée de trous aléatoirement distribués, constituant les diffuseurs. Des impulsions laser génèrent une onde élastique depuis 50 points distincts à l’entrée du milieu, et l’onde transmise par celui-ci est mesurée sur 50 points en sortie. Les chercheurs obtiennent ainsi une matrice de diffusion ‘‘entrée-sortie’’ qui leur permet de calculer la combinaison d'ondes incidentes permettant d’accéder aux ‘‘canaux ouverts’’ du milieu. Ils prouvent ainsi qu’une combinaison d’ondes entrantes associée à un ‘‘canal fermé’’ rend le milieu parfaitement réfléchissant et qu’une combinaison d’ondes entrantes associée à un ‘‘canal ouvert’’ le rend totalement transparent.

Ces résultats illustrent comment les effets d’interférence induits par le désordre peuvent aider une onde à trouver son chemin à travers un dédale de diffuseurs. Ils fournissent la première démonstration expérimentale de prédictions théoriques anciennes et pourraient aider à concevoir des schémas optimaux pour la transmission de données et pour les télécommunications par fibres optiques.

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus : http://www.institut-langevin.espci.fr/home

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