Piegeage onde électro magnétique

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piégé des ondes électromagnétiques dans un ensemble 3D de particules
Publié le 26 Juin 2023 à 15H45 Modifié le 26 juin 2023 Par Fleur Brosseau https://www.science-et-vie.com/auteur/fbrosseau

Après des décennies de recherche, une équipe de physiciens a prouvé pour la première fois qu’il était possible de piéger des ondes électromagnétiques dans des ensembles aléatoires tridimensionnels de sphères métalliques.
Cette découverte autour des ondes électromagnétiques pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour les lasers et les photocatalyseurs, entre autres applications.
La conductivité électrique d’un matériau repose sur les mouvements d’électrons qui s’y trouvent : lorsque ceux-ci peuvent se déplacer librement, sous l’action d’un champ électromagnétique, le courant circule ; à l’inverse, lorsque les électrons sont « piégés » (ou « localisés ») – ce qui signifie qu’ils n’ont pas assez d’énergie pour franchir la bande interdite qui sépare la bande de valence de la bande de conduction – le matériau est isolant.
Ondes et localisation d’Anderson

Cette conductivité dépend aussi de la présence de plus ou moins de défauts dans le réseau cristallin du matériau. Ce phénomène, connu sous le nom de « localisation d’Anderson », a été proposé en 1958 par le physicien américain Philip W. Anderson ; il désigne l’arrêt de la propagation d’ondes diffusives dans les systèmes désordonnés. La même chose se produit lorsque de la lumière traverse certains matériaux.
Mais malgré 40 ans de recherche dans ce domaine, la manière exacte dont ce phénomène agit sur le piégeage (ou « la localisation ») des ondes électromagnétiques en trois dimensions n’est pas claire. Une équipe de l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Yale apporte aujourd’hui des éléments de réponse.
Éliminer tous les artefacts…
La localisation d’Anderson est un phénomène émergent pour les ondes quantiques et classiques, notamment les ondes électroniques, les ondes d’atomes froids, les ondes électromagnétiques, les ondes acoustiques, les ondes de l’eau, les ondes sismiques et les ondes gravitationnelles, notent les chercheurs. Contrairement à ce que l’on observe dans des systèmes à une ou deux dimension(s), la localisation d’Anderson en trois dimensions (3D) nécessite un fort désordre.
Malgré des expériences réussies dans des systèmes de plus petite dimension, la localisation d’Anderson de la lumière en 3D est restée insaisissable pendant des décennies – ce qui a suscité de nombreux débats parmi les physiciens, remettant même en question son existence. Si certains travaux ont rapporté l’observation de la localisation de la lumière en 3D, il s’avère que tous ont été remis en question en raison d’artefacts expérimentaux, ou par le fait que d’autres effets physiques auraient pu être à l’origine des résultats obtenus.
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Grâce à la simulation numérique !
Mais grâce aux progrès récents des capacités de calcul, une équipe dirigée par la professeure Hui Cao a pu réaliser des simulations numériques du transport de la lumière dans des systèmes 3D totalement désordonnés, avec une différence de dimension et d’indice de réfraction sans précédent. Ils sont ainsi parvenus à démontrer numériquement la localisation 3D d’ondes électromagnétiques dans des agrégats aléatoires de sphères métalliques. Leurs résultats ont été publiés dans Nature Physics.
L’usage de simulations numériques permet d’éliminer tous les artefacts expérimentaux dus à l’absorption résiduelle et à la diffusion inélastique qui auraient pu nuire aux résultats. Mais cette approche s’est longtemps avérée difficile. « Nous ne pouvions pas simuler de grands systèmes tridimensionnels car nous n’avions pas assez de puissance de calcul et de mémoire. Les gens ont essayé diverses méthodes numériques, mais il n’était pas possible de simuler un si grand système pour vraiment montrer s’il y a localisation ou non », explique Hui Cao dans un communiqué.
Une localisation possible de la lumière dans les métaux nanoporeux 3D
C’est pourquoi Cao et son équipe ont fait appel à Flexcompute, une société basée à Boston, spécialisée dans le développement de solutions liées à la simulation pour accélérer le processus de conception de produits industriels et de consommation. L’un de ses produits phares, Tidy3D, permet une simulation électromagnétique à grande échelle en utilisant une méthode de calcul de différences finies dans le domaine temporel – qui consiste à diviser les espaces en grilles et à résoudre les équations à chaque point de la grille.
Grâce à la vitesse d’exécution de ce solveur numérique, les chercheurs ont pu tester de très nombreuses configurations et différents paramètres structurels en un temps record. « Certaines simulations qui, selon nous, prendraient des jours, peuvent être réalisées en seulement 30 minutes. Cela nous permet de simuler de nombreuses configurations aléatoires différentes, différentes tailles de système et différents paramètres structurels pour voir si nous pouvons obtenir une localisation
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En éliminant les artefacts inhérents aux manipulations expérimentales, l’équipe peut désormais affirmer que la localisation de la lumière en 3D est possible dans certaines conditions. Ils ont tout d’abord montré que la lumière ne peut pas être localisée dans des agrégats aléatoires 3D de particules constituées de matériaux diélectriques dont l’indice de réfraction est compris entre 3,5 et 10, tels que le verre ou le silicium. Ceci explique les échecs des efforts expérimentaux réalisés auparavant, car ceux-ci se concentraient justement sur ce type de matériaux, caractérisés par une faible perte par diffusion et un indice de réfraction élevé.
En revanche, les chercheurs ont présenté la première preuve numérique de la localisation des ondes électromagnétiques dans des ensembles aléatoires de sphères métalliques (considérées comme des conducteurs électriques parfaits). Les scientifiques disposent donc désormais d’une meilleure compréhension du phénomène et des conditions requises pour qu’il se produise.
Ondes électromagnétiques : des applications potentielles en optique et en gestion de l’énergie
Les systèmes métalliques ont longtemps été ignorés dans le cadre de ces recherches. En raison de leur absorption de la lumière, celle-ci étant généralement transformée en énergie thermique quand elle n’est pas simplement réfléchie. « Mais même en tenant compte de la perte de métaux courants tels que l’aluminium, l’argent et le cuivre, la localisation d’Anderson persiste », souligne Hui Cao.
Le fait que la localisation d’Anderson soit observable même lorsque la perte est élevée suggère que le phénomène est particulièrement fort. Cette découverte pourrait ouvrir la voie à de nombreuses applications. « Nos travaux ouvrent un large éventail de pistes à la fois pour la recherche fondamentale liée à la localisation d’Anderson et pour les applications potentielles utilisant la lumière localisée en trois dimensions », résument les chercheurs.
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De nouvelles possibilités dans la photocatalyse
L’équipe évoque notamment de nouvelles possibilités dans la photocatalyse – qui consiste à absorber la lumière et utiliser cette énergie pour initier une réaction chimique – la détection optique, la conversion et le stockage de l’énergie. « Le confinement tridimensionnel de la lumière dans les métaux poreux peut améliorer les non-linéarités optiques, les interactions entre la lumière et la matière, et contrôler l’émission aléatoire de lasers ainsi que le dépôt ciblé d’énergie », précise Mme Cao.
Avant cela, il sera nécessaire d’observer cet effet expérimentalement.  En se concentrant cette fois sur les systèmes aléatoires métalliques à faibles pertes. En complément de leur étude, Cao et son équipe ont proposé « une expérience micro-ondes réaliste ». Cette dernière, selon eux pourrait éviter les artefacts expérimentaux et fournir « un signe révélateur de la localisation d’Anderson ».

Je publie ceci en vitesse avant qu'il disparaisse et surtout d'en comprendre l'article et ses implications, je me propose de l'étudier un peu et voir si je peu en tirer qqc. Sur FB, une personne a commenter et à dit qu'il serait possible d'avoir des réserves d'énergie sans perte.


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