Confiner les hypersons dans des nanostructures.

Avec leurs longueurs d’ondes aussi petites que la dizaine de nanomètres, les ondes acoustiques ultrarapides du domaine terahertz, ou encore hypersons, permettent d’aller sonder les nanostructures à l’intérieur des matériaux. Encore faut-il générer, contrôler et détecter ces ondes de manière fine. Des physiciens de l’Institut des Nanosciences de Paris (INSP – CNRS / UPMC), du Centro Atomico Bariloche (Brésil)* et du Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN – CNRS), viennent de montrer que cela est possible en reproduisant un phénomène physique relativement subtil qui n’avait jusqu’à présent pas encore été observé avec des ondes acoustiques : les oscillations de Bloch. Ce travail, publié dans la revue Physical Review Letters démontre la maturité du domaine de l’acoustique ultrarapide.

Le phénomène des oscillations de Bloch concerne la propagation d’ondes dans un milieu dont la structuration est périodique. La prédiction théorique de cet effet en 1929 concernait un électron dans un cristal soumis à un champ électrique uniforme. Ce phénomène, compris en faisant intervenir l’onde quantique de l’électron, a depuis été généralisé et adapté à d’autres types d’ondes : atomes, plasmons, photons, ondes sonores,… demandant à chaque fois une grande maitrise des conditions expérimentales. Pour réaliser cet effet à l’échelle nanométrique avec des hypersons, les physiciens ont conçu un super-réseau acoustique de 15 périodes et d’une épaisseur totale de 0,881 µm. Ce dispositif est conçu de sorte que la fréquence de résonance de chacune des cavités élémentaires de ce réseau soit en progression linéaire et couplée significativement. L’« acoustique picoseconde » a été utilisée pour étudier le comportement dynamique de cette structure. Ces mesures montrent la présence d’oscillation de Bloch avec une période de l’ordre de 95 ps, en bon accord avec la valeur attendue par construction. Seules de faibles proportions de l’amplitude acoustique s’échappent aux extrémités de la structure, qui ne comporte qu’un nombre fini de cavités, ce qui peut conduire à la réalisation de nouvelles sources d’impulsions acoustiques de paramètres contrôlables.

a) variation temporelle brute de la réflectivité relative ΔR/R, mesurée en acoustique picoseconde, b) variation temporelle après filtrage fréquentiel avec le filtre décrit dans la figure 2, c) simulation du déplacement périodique d’un paquet d’ondes acoustiques aux mêmes fréquences en fonction du temps et de la position.

Amplitude spectrale obtenue par transformée de Fourier de la variation de ΔR/R présentée dans la figure 1a. Le filtre en fréquence utilisé pour la figure 1b est schématisé par la bande en jaune.