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Une introduction aux cristaux phononiques (4)


Des applications pour les cristaux phononiques ?

Le concept de cristal phononique est bien trop récent pour s'être déjà imposé dans des objets de la vie courante. Ses applications sont à l'heure actuelle purement spéculatives, mais nous allons tenter d'en décrire quelques unes. La première application qui a été suggérée par Kushwaha et ses collègues est celle de l'isolation sonore. En effet, nous avons vu que pour toutes les fréquences contenues dans une bande interdite complète, un cristal phononique se comporte comme un véritable bouclier, renvoyant toutes les ondes qui le frappent. C'est ainsi qu'il est parfaitement possible de concevoir des murs anti-bruit pour les autoroutes qui fonctionnent suivant ce principe. Il est alors nécessaire d'isoler l'espace qui se trouve derrière le mur de tout ou partie des fréquences sonores. Dans une telle application, les périodicités mises en jeu sont de l'ordre du mètre, et tout le jeu de la conception réside dans la possibilité de diminuer cette dimension sans que la bande de fréquence couverte soit trop élevée, l'oreille humaine étant sensible aux fréquences sonores comprises entre 20 et 20000 Hertz typiquement.

Une seconde application potentielle des cristaux phononiques, peut être moins intuitive a priori est la réalisation de brise-vagues. En effet, les vagues de nos mers et océans peuvent être comprises comme des ondes se propageant à la surface de l'eau (c'est d'ailleurs là le sens étymologique du mot onde). Quand les vagues heurtent un obstacle elles sont partiellement diffusées dans toutes les directions. Les interférences résultant de ces diffusions multiples sur un réseau d'obstacles pourraient ainsi conduire à une réduction importante de l'amplitude des vagues venant se briser sur un rivage. Il s'agirait ainsi de disposer périodiquement des pylônes ancrés dans le fond marin afin de créer un havre de paix derrière cette barrière paradoxalement occultante alors qu'elle est ajourée. Hu et Chan de l'Université de Technologie de Hong-Kong ont de plus proposé en 2005 que de telles structures puissent être utilisées pour focaliser les vagues vers une usine, ce qui pourrait permettre de convertir leur énergie mécanique en énergie électrique. Sur ce dernier point bien-sûr, tout reste encore à démontrer !

Cristal phononique pour les ondes de surface

Cristal phononique pour les ondes de surface

Cristal phononique constitué de trous dans une plaque de silicium. Les trous ont un diamètre de 6 microns et sont profonds de 100 microns. Un tel cristal phononique présente une bande interdite complète autour de 500 MHz.

Nous pensons pour notre part que c'est à l'échelle microscopique que les cristaux phononiques ont le plus de potentiel. Pour des périodicités de quelques microns ou moins, les bandes interdites apparaissent pour des fréquences de quelques centaines de MHz ou de quelques GHz, en plein dans le domaine des communications sans fil. De nouveaux composants mariant microélectronique et ondes acoustiques pourraient voir le jour et étendre les capacités des téléphones portables et des réseaux sans fil, par exemple. Un point essentiel est que les principes des cristaux phononiques s'expriment de la même façon quelle que soit l'échelle choisie pour leur réalisation, seules les fréquences de fonctionnement changent. Cette propriété fondamentale a deux conséquences importantes. La première est que les concepts des cristaux phononiques peuvent être démontrés à l'échelle, c'est-à-dire avec des structures dont les dimensions sont relativement grandes, donc facilement accessibles. La seconde conséquence est qu'avec le développement des micro et des nanotechnologies, des cristaux phononiques de plus en plus petits peuvent être réalisés par des procédés qui ressemblent à ceux de la microélectronique, employés par exemple pour la réalisation des microprocesseurs de nos ordinateurs. La microélectronique a débuté il y a cinquante ans, la photonique suit depuis une vingtaine d'année et arrive à maturité ; l'avenir dira si la nanophononique pourra suivre ces exemples prestigieux.