La métasurface : une prouesse technologique pour l’acoustique aquatique

Les communications sous-marines représentent un défi technologique majeur en raison de l’atténuation rapide des ondes électromagnétiques dans l’eau. Les ondes acoustiques offrent une alternative viable, mais leur utilisation efficace nécessite des résonateurs performants. Une équipe de chercheurs a récemment développé une nouvelle approche pour améliorer significativement l’efficacité des résonateurs acoustiques sous-marins, élargissant ainsi le champ des possibilités pour les communications et la détection en milieu aquatique.

Mohamed Farhat et Ying Wu de l’Université KAUST, en collaboration avec des chercheurs de l’Université Bourgogne Franche-Comté, ont mis au point une métasurface sous-marine surpassant les résonateurs conventionnels. Leur innovation répond aux limitations des systèmes acoustiques traditionnels, particulièrement affectés par les pertes inhérentes au milieu aquatique.

«Les résonateurs ultrasonores de pointe s’appuyaient auparavant sur des systèmes résonants conventionnels, entraînant des facteurs de qualité faibles ou des résonances de courte durée qui ne déclinaient qu’après quelques cycles d’oscillations. Cette situation est encore pire sous l’eau, où l’amortissement visqueux ou l’augmentation des fuites créent des pertes supplémentaires.» a indiqué Mohamed Farhat concernant les systèmes précédents.

Une conception novatrice pour un confinement optimal des ondes

L’équipe a développé un résonateur sous-marin intégrant une métasurface : un film de silicium fin imprimé avec un motif périodique se répétant sur une distance inférieure à la longueur d’onde. Le motif peut être conçu pour contrôler la manière dont la métasurface interagit avec l’onde.

Les chercheurs ont utilisé une machine de découpe pour créer un réseau de fentes de 0,1 millimètre dans un substrat de silicium avec une périodicité de 1 millimètre. La cavité était composée de deux de ces métasurfaces séparées par un espace de 0,8 millimètre.

La structure a été caractérisée en l’immergeant dans l’eau et en utilisant un transducteur pour créer des ondes ultrasonores avec des fréquences comprises entre 0,5 et 3 mégahertz. Les mesures de transmission et de réflexion des ultrasons à travers la métasurface ont permis de démontrer un facteur de qualité de 350 pour des ondes ultrasonores d’un mégahertz.

Soulignant l’importance de cette réalisation, Mohamed Farhat a ajouté : «Notre travail présente une amélioration significative par rapport aux conceptions précédentes car il atteint un facteur de qualité exceptionnellement élevé dans un dispositif acoustique sous-marin simple.»

Un mécanisme de piégeage des ondes innovant

Le succès de cette approche repose sur un mécanisme de piégeage des ondes acoustiques inhabituel. Contrairement aux résonateurs classiques, la structure développée par l’équipe n’est pas entièrement fermée. Ce résonateur ouvert supporte des états quasi-liés dans le continuum, localisés dans une région compacte de l’espace, même si leur énergie se situe au-dessus du seuil habituel.

À ce sujet, Mohamed Farhat a commenté : «Ces états liés dans le continuum, découverts pour la première fois en mécanique quantique, ne se couplent pas à l’environnement environnant et possèdent donc un facteur de qualité divergent, qui est une mesure de la durée de vie de la résonance.»

Pour sa part Ying Wu a conclu en soulignant les implications pratiques de cette recherche : «Notre travail fait progresser le domaine des métamatériaux, de l’acoustique et des communications, mais il recèle également un potentiel considérable pour des applications pratiques, telles que des filtres acoustiques, des capteurs et des transducteurs hautement efficaces, ainsi que des systèmes avancés de communication et d’imagerie médicale et des tests non destructifs.»

Cette innovation élargit le champ des possibilités dans les domaines de la communication sous-marine, de la détection et de l’imagerie médicale, promettant d’améliorer significativement les performances des dispositifs acoustiques en milieu aquatique.

Légende illustration : Les métasurfaces sous-marines qui piègent les ondes acoustiques sont nettement plus performantes que les résonateurs classiques. 2024 KAUST.

Farhat, M., Achaoui, Y., Iglesias Martínez, J.A, Addouche, M., Wu, Y. & Khelif, A. Observation of ultra-high-Q resonators in the ultrasound via bound states in the continuum. Advanced Science 11(33), 2402917.| Article.