Search

This broad review summarizes recent advances and "hot"research topics in nanophononics and elastic, acoustic, and mechanical metamaterials based on results presented by the authors at the EUROMECH 610 Colloquium held on April 25-27, 2022 in Benicássim, Spain. The key goal of the colloquium was to highlight important developments in these areas, particularly new results that emerged during the last two years. This work thus presents a "snapshot"of the state-of-the-art of different nanophononics- and metamaterial-related topics rather than a historical view on these subjects, in contrast to a conventional review article. The introduction of basic definitions for each topic is followed by an outline of design strategies for the media under consideration, recently developed analysis and implementation techniques, and discussions of current challenges and promising applications. This review, while not comprehensive, will be helpful especially for early-career researchers, among others, as it offers a broad view of the current state-of-the-art and highlights some unique and flourishing research in the mentioned fields, providing insight into multiple exciting research directions.

International audience; Nous présentons une étude expérimentale d'un cristal phononique (CP), composé d'un réseau de micropiliers en silicium gravés de 300 µm de diamètre et 240 µm de hauteur, sur une membrane de silicium de 160 µm, pour évaluer le couplage entre ces structures et les propriété de liquides placés sous la membrane. Nous avons monté un banc de mesure pompe-sonde avec un interféromètre hétérodyne permettant de scanner la surface de l'échantillon et de reconstituer des images pour visualiser les vibrations du système en fonction de la fréquence. Pour simuler une configuration tubulaire, nous avons mesuré les vibrations avec une épaisseur d'eau contrôlée coincée entre l'échantillon à mesurer et une plaque de silicium. Sur la base de différentes simulations, nous étudions principalement trois modes de résonance localisés au sommet des piliers et présentant un champ de pression à l'intérieur de la couche liquide (pour des fréquences d'environ 1.4 MHz, 2.8 MHz et 5.3 MHz). En plaçant de l'eau distillée sous l'échantillon, nous avons observé expérimentalement la dépendance des trois modes de résonance à l'épaisseur de la couche liquide. Pour vérifier la sensibilité de notre système aux propriétés des liquides, nous avons mesuré la réponse des piliers pour différentes concentrations volumique de glycérol dans l’eau. Les trois modes se décalent vers les basses fréquences avec l'augmentation de la concentration en glycérol avec une pente différente et un plateau pour les plus hautes concentrations testées. Le mode le plus sensible étant celui à 2.8 MHz qui permet, avec le choix de réglage de l'interféromètre, de détecter une concentration en glycérol de 1% en volume dans l'eau.

International audience; Nous rapportons ici quelques résultats expérimentaux portant sur la localisation d'ondes acoustiques de surface à l'échelle du micron pour différents types de cristaux phononiques désordonnés. Pour ce faire, un dispositif de spectroscopie pompe-sonde résolu en temps (grâce à une ligne à retard) et en espace (via un système d'imagerie 4f) a été développé, permettant ainsi d'imager les ondes de surface au cours de leur propagation dans le cristal. Les processus de diffusion d'une onde acoustique (de même que les ondes électromagnétiques) par un objet diffusant sont bien connus depuis plusieurs années et sont parfaitement décrits par la théorie de la diffusion. Cependant, lorsque la densité des diffuseurs devient importante et leurs positions aléatoires, des effets d'interférences constructives interviennent, conduisant à un arrêt total des processus de diffusion. De nombreux travaux au cours des dernières décennies ont montrés que le ralentissement des processus de diffusion peut être entièrement caractérisé par la distribution spatiale des diffuseurs (corrélés, non corrélés...) et l'intensité du désordre. Les systèmes d'intérêt consistent en des piliers d'aluminium de 300nm de diamètre et 70nm de hauteur fabriqués sur une fine couche d'aluminium (faisant office de transducteur), le tout déposé sur un substrat en silice. Afin de mieux comprendre les mécanismes de transport des ondes dans des milieux désordonnés deux configurations ont été envisagées : une première ou les piliers sont distribués en surface du film d'aluminium suivant une loi gaussienne et une seconde suivant une distribution de Poisson.

International audience

International audience; In this work, we investigate the sensitivity of a pillar based metasurface in order to understand the behavior of the system in real tests conditions where the mass perturbation will not be homogeneous on all the system. The structure we study is composed in stacking alternate layers of Silica and Tungsten and presents a torsional resonant mode which presents a high quality factor and a high mass sensitivity, in a case of a homogeneous perturbation. In a case of a non-homogeneous mass-perturbation over the pillars, each pillar gives a contribution to the signal perturbation under the form of a shifted peak. These results show that each pillar gives a contribution to the output signal and that the high quality factor of the structure allows to distinguishing the different perturbations.

International audience; We describe an analytical approach that allows calculating the trajectories of an elastic beam within a two-dimensional phononic crystal-based gradient index medium. The formalism takes into account the anisotropy along the lines of inclusions where the equi-frequency contours may depart from a circle. We then report on a numerical and experimental study of the focusing of flexural Lamb waves in gradient-indexed phononic crystals. The silicon/air heterostructures that we considered for this work features an index that is obtained through the modulation along one axis of either the diameter of the air inclusions or their spacing. In both cases, numerical and experimental results agree very well. The formalism that we have developed explains well the location, shape and size of the focus in either system.

Locally resonant sonic materials are artificially structured composites designed to exhibit negative effective mass density and/or elastic constants at frequencies below the Bragg band gap, giving rise to one or several forbidden bands in a frequency range where the elastic wavelength is much larger than a characteristic dimension of the resonator. In this work, we have investigated the propagation of Lamb waves in structures made either of an isolated resonant pillar or of a periodical array of resonant pillars deposited on a thin plate. The resonators and the plate are made of silicon and are designed to vibrate in the MHz range. These structures deserve special attention since pillars exhibit compressional resonant mode (monopolar) and bending resonant mode (dipolar) that may cause respectively negative modulus and negative mass density. We used a finite element method to calculate the frequencies and polarizations of the normal modes of the structure, as well as the scattering of an incident Lamb wave by the pillars. These computations are then compared to experimental data recorded using a laser ultrasonic technique that maps both the phase and the amplitude of the normal displacements at the surface of the sample, resulting from the propagation of the scattered wave. At low frequency, where homogenization theory applies, the pillars vibrate in quadrature with the exciting Lamb waves when they are excited at the frequency of their compressional resonance modes. If the frequency slightly departs from the resonance, the pillars vibrate out-of-phase with respect to the incident waves. This work is supported by the Agence Nationale de la Recherche and Direction Générale de l'Armement under the project Metactif, grant ANR-11-ASTR-015.

Acoustic wave transmission through sub-wavelength slits or holes, then on layers of periodically spaced cylinders and double fishnet structures, known as acoustic metamaterials has been studied in many works in relation with physical phenomena such as extraordinary resonant transmission, sound shielding etc. We present for the first time the study of analogous phenomena for Lamb waves propagating in a thin plate, in which symmetric plate mode S0 is considered. Rectangular holes are chosen due to the fact that more geometrical parameters can be varied comparatively to circular holes. In the aforementioned works the propagation medium is in general made of a fluid while the case of a solid host has been less considered. We have investigated rectangular air holes in a silicon plate and optimized the geometrical parameters in order to get a low frequency broad band attenuation. We show that, when a second row of slits is added, the choice of the distance between both rows allows for the realization of a broadband attenuation in the transmission up to 99%. With additional rows of slits we find the properties of a phononic crystal constituted by a periodic array of holes in a plate. These investigations should have implications for sound isolation and sensing applications. The work is supported by the Agence Nationale de la Recherche and Direction Générale de l'Armement under the project Metactif, grant ANR-11-ASTR-015.