Le monde des cristaux offre de nombreuses propriétés intéressantes : les cristaux peuvent produire des étincelles électriques dans les briquets jetables, par exemple, ils peuvent produire de la lumière polarisée, et ils peuvent diviser les rayons X en milliers de réflexes individuels qui sont dispersés dans toutes les directions.

Certaines de ces propriétés sont conservées même si les structures cristallines atomiques sont agrandies 100 millions de fois et que les cristaux sont reconstruits à grande échelle. Les physiciens en profitent depuis plusieurs années déjà : Si les cristaux originaux diffusent des rayons X à ondes très courtes, les copies agrandies peuvent diffuser des oscillations à ondes longues dans toutes les directions. Un moyen très élégant d'amortissement des vibrations a ainsi été trouvé. Les structures cristallines agrandies ayant de telles propriétés acoustiques sont appelées cristaux phononiques.

Andrea Bergamini et ses collègues du département Acoustique/Réduction du bruit de l'Empa ont réussi à intégrer dans les cristaux des propriétés supplémentaires qui ne sont pas présentes dans l'original. Les chercheurs ont construit de petites plaques rotatives dans les structures cristallines, qui sont capables de convertir les oscillations le long de l'axe longitudinal en mouvements de torsion. Pour la première fois, une oscillation indésirable peut non seulement être diffusée dans différentes directions spatiales, mais peut également être convertie en énergie thermique.

Andrea Bergamini, Acoustics/Noise Control Lab à Dübendorf. Image: Empa

Mesure des vibrations ultrasonores sur le modèle du cristal phononique chiral. Les résultats sont très prometteurs. Image: Empa

Dans une étape suivante, Bergamini et ses collègues chercheurs ont couplé plusieurs des platines dans le cristal ensemble. Ceci peut se faire de deux manières différentes : soit toutes les plaques tournent ensemble dans le même sens (disposition isotactique), soit elles sont reliées alternativement dans leur sens de rotation (disposition syndiotactique). L'effet est très différent : la disposition syndiotactique ABAB du sens de rotation crée une bande interdite dans les fréquences. Une large gamme d'oscillations est ainsi "avalée" par le mécanisme de rotation et n'est pas passée à travers le cristal. D'autre part, la disposition isotactique AAAA du mouvement rotatif génère de nouvelles ondes d'une fréquence similaire, qui sont transmises par le cristal. Un composant mécanique d'une certaine géométrie détermine ainsi si le cristal isole ou conduit. L'équipe a maintenant publié les résultats de la recherche dans le dernier numéro de la revue Nature Communications.

Mais comment peut-on utiliser de tels écarts de bande de fréquence d'oscillation? Entre-temps, un premier modèle a été développé en laboratoire montrant une fonction possible des cristaux phononiques : Bergamini a construit une fenêtre à partir de deux vitres en plexiglas dans lesquelles sont intégrées des platines tournantes syndiotactiques. La taille des plaques est adaptée à la fréquence de la parole humaine. L'idée: lorsque certaines fréquences sont filtrées hors de la parole, le contenu devient incompréhensible pour l'auditeur. Le cerveau humain ne peut plus assembler l'information acoustique en un sens. Les premiers tests dans le laboratoire d'acoustique montrent le potentiel de l'idée: vous pouvez voir clairement les personnes qui parlent et entendre qui parle d'une manière étouffée. Mais pas un seul mot ne peut être compris à partir du texte parlé.

La "fenêtre de cryptographie" est une application possible pour les cristaux phononiques. Il déforme la parole de manière purement mécanique - sans électronique ni électricité. Image: Gian Vaitl / Empa

Bergamini et ses collègues s'attendent à ce que les cristaux transparents et phononiques soient intéressants pour les architectes et les designers d'intérieur. Cette astuce physique permet de produire des matériaux de construction rigides avec une forme stable qui isolent très bien le son et peuvent être jusqu'à 100 fois plus légers que les matériaux isolants phononiques avec le même effet. Dans la construction mécanique, la construction aéronautique et la construction automobile légère également, le filtrage des fréquences parasites avec des matériaux isolants légers de conception pourrait bientôt jouer un rôle majeur.