METAMATERIAUX ET CRISTAUX PHONONIQUES CONTROLES PAR CHAMPS ELECTRIQUES ET MAGNETIQUES – MIRAGES

Le contrôle de la propagation des ondes est un sujet important en recherche fondamentale et appliquée qui repose sur la conception de milieux artificiels. Ainsi, des propriétés acoustiques inhabituelles ont été obtenues dans les cristaux phononiques, structures périodiques permettant de contrôler l'onde à l'échelle de la longueur d'onde, et également dans les métamatériaux où cet effet est recherché pour des longueurs d'onde grandes par rapport à la dimension caractéristique de la structuration locale. Sur cette base, de nombreuses fonctionnalités potentielles ont ainsi été démontrées comme le filtrage et le démultiplexage en fréquence, l'isolation acoustique, le guidage d'onde, la "cape d'inaudibilité", la réfraction négative et la super-résolution, le retard ou la compression d'impulsions pour des domaines d'applications variés comme les composants pour les télécommunications, l'imagerie ou la furtivité acoustique. Néanmoins, peu de cristaux phononiques ou de métamatériaux ont été intégrés dans des dispositifs fonctionnels, partiellement à cause de leur manque de flexibilité : le contrôle de l'onde acoustique, souvent obtenu dans une gamme de fréquence réduite, est complètement déterminé par la géométrie et les propriétés des matériaux constitutifs lors de l'étape de fabrication. Pour apporter adaptabilité et reconfigurabilité à ces structures, le projet MIRAGES a pour objectif de développer des cristaux photoniques et des métamatériaux actifs ajustables et reconfigurables intégrant des matériaux piézoélectriques et magnétostrictifs et pouvant être contrôlés par des champs électriques ou magnétiques. La modification de l'élasticité apparente du matériau actif sera obtenue soit par variation d'une impédance électrique de charge dans le cas de matériaux piézoélectriques, soit par modification du champ d'aimantation continu dans le cas de matériaux magnétostrictifs. La mise au point de modèles et de technologies pour la conception, l'élaboration et l'optimisation de cristaux phononiques et de métamatériaux actifs constitue le premier but du projet. Des modèles théoriques et numériques, des procédés de fabrication et des dispositifs de caractérisation seront développés pour évaluer quantitativement l'amplitude des variations de propriétés ou de caractéristiques pouvant être atteintes pour les matériaux, structures et méthodes de contrôle considérées, et pour identifier les solutions optimales en fonction des contraintes sur le type d'adaptabilité souhaité, la fréquence de fonctionnement ou la technologie de fabrication. En lien avec ce concept général, deux objectifs associés à des applications spécifiques sont visés dans le projet MIRAGES : • la démonstration que l'intégration d'un matériau actif contrôlable dans un cristal phononique apporte une forte plus-value à un composant MEMS acoustique existant utilisé en télécommunications. Le contrôle électrique ou magnétique d'un cristal phononique actif unidimensionnel sera étudié dans la gamme MHz pour réaliser un résonateur BAW sur miroir de Bragg avec fonction interrupteur intégrée, un filtre à couplage acoustique ajustable finement (moins de 1%) après fabrication, ou un résonateur Fabry-Pérot présentant une grande agilité en fréquence (plus de 10%). • la première réalisation d'un cristal phononique ou d'un métamatériau à gradient d'indice contrôlable électriquement pour des applications en furtivité acoustique. Pour imiter le sonar, le démonstrateur prendra la forme d'un mur actif localisé entre une source acoustique et une cible. Constitué d'un cristal phononique ou d'un métamatériau à deux dimensions intégrant des inclusions piézoélectriques, ce mur agira comme un leurre sur la position, la vitesse ou l'orientation de la cible. Il exploitera pleinement les possibilités offertes par le contrôle électrique statique, dynamique et temps-réel du milieu artificiel constituant le mur de manière à modeler le retard, le contenu fréquentiel et l'angle de réflexion du faisceau réfléchi.