Equipe Métamatériaux et Phononique

Métamatériaux et métasurfaces acoustiques

L’équipe développe des modèles numériques pour comprendre les mécanismes de propagation et d’interaction des ondes acoustiques et élastiques avec les métastructures complexes. Ces modèles sont à base d’approches traditionnelles telles que les éléments finis, et d’approches plus actuelles à basées sur l’intelligence artificielle, telles que le deep-learning et les réseaux de neurones artificiels. En parallèle, l’équipe développe des méthodes théoriques basées sur différents formalismes pour confronter les deux approches numérique et théorique. La fabrication et la caractérisation expérimentales des différents métastructures et dispositifs sont réalisées, en s’appuyant sur les équipements dispose l’équipe..

Différentes applications sont développées :

• l’absorption acoustique en régime très basses fréquences
• la collecte d’énergie
• la super-focalisation
• l’holographie

L’équipe s’intéresse également à l’aspect multifonctionnel de ses métastructures dans le but d’intégrer différentes fonctionnalités dans le même métamatériau ou métasurface.

Projets :

• US Air Force Office of Scientific Research, 2018 – 2022 (AIRCRAFT)
• ICEEL Carnot, 2018-2021 (METACOM)
• Région Grand Est; 2018 – 2021 (METACOUSTICS)

Thèses :

• Krupali Donda
• Shiwang Fan

Articles :

• Acoustic Metasurfaces, Nature Reviews Materials 3, (2018) 460, M. B. Assouar, B. Liang, Y. Wu, Y. Li, J-C. Cheng & Y. Jing
   
• Acoustic metasurface-based perfect absorber with deep subwavelength thickness, Appl. Phys. Lett., 108 (2016) 063502. [Highlighted by AIP, Phys.org, ScienceDaily, Most cited paper in 2016 and among most read in 2016 and 2017 and a ESI highly cited paper], Y. Li & M. B. Assouar

Métamatériaux topologiques et non-hermitiens

L’équipe élabore des métamatériaux topologiques avec des modes propagatifs immunes aux défauts (i.e. topologiquement protégés). La protection associée aux effets topologiques est forte, le guidage des ondes le long d’interfaces permet par exemple de développer des lignes à retard robustes ou des guides d’ondes, et plus généralement d’accéder à une manipulation d’onde beaucoup plus efficace que celle offerte par les dispositifs acoustiques actuels.
Les métamatériaux non-Hermitiens sont aussi issus d’analogies entre la mécanique quantique et l’acoustique. En effet, le concept de non-Hermiticité peut être étendu aux structures acoustiques au moyen de la modulation spatiale des pertes et des gains au sein du métamatériau. L’équipe développe ainsi des métamatériaux élastiques et acoustiques intégrant des constituants présentant un gain et des pertes équilibrés, de manière à obtenir une multitude de phénomènes, ouvrant la voie à des manipulations d’onde hors du commun (approche PT-symmetry). Des métamatériaux basés sur l’approche PT-symmetry ont été développés pour des applications concernant, entre autres, la réfraction négative ou la propagation asymétrique.

Projet :

PHC France – Chine (2018-2019)

Thèse :

Sheng Wan (2016 – 2020)

Articles :

• PT-Symmetry for Elastic Negative Refraction, Phys. Rev. Applied 10 (2018) 044071, Z. Hou, H. Ni & M. B. Assouar
   
• Space-time phononic crystals with anomalous topological edge states, Physical Review Research 1 (3), 033069 (2019), M. Oudich, Y. Deng, M. Tao, Y. Jing
   
• Ultrasonic nodal chains in topological granular metamaterials, Communications Physics 2 (2019) 154, A. Merkel & J. Christensen

Phononique et vibrations

L’équipe s’intéresse à la manipulation des ondes élastiques en utilisant les structures phononiques et des métamatériaux élastiques pour un large éventail d’applications. Elle étudie la dispersion des ondes acoustiques de surface par une métasurface constituée de piliers phononiques pour donner lieu à des phénomènes de confinement, de résonance de type Fano, ainsi que l’analogue acoustique de la transparence induite électromagnétique (EIT). La structure pourrait être adaptée à la conception de plateformes pour l’observation des phénomènes quantiques, de couplages opto-mécaniques ou pour la détection d’espèces biologiques avec une très grande sensibilité.
L’équipe travaille également sur le développement de métamatériaux sous forme de plaque multifonctionnelle offrant la possibilité de supprimer les vibrations sur une large gamme de fréquences et de collecter de l’énergie acoustique. L’ingénierie de ces matériaux artificiels est spécifiquement dédiée aux applications aéronautiques et aérospatiales. Par ailleurs, l’équipe développe des travaux sur les cristaux phononiques et les métasurfaces pour le vibratoire, afin de traiter des phénomènes de super-focalisation dans le biomédical, de propagation asymétrique ou encore d’isolation mécanique en basses fréquences.

Thèses :

• Liyun Cao (2016-2020)
• Yi Zeng (2019-2023)
• Simin Yuan (2017-2021)

Articles :

• Elastic Metamaterial Insulator for Broadband Low-Frequency Flexural Vibration Shielding, Phys. Rev. Applied, 8 (2017) 054034, J-H. Oh, S. Qi, Y-Y. Kim & M. B. Assouar
   
• Rayleigh waves in phononic crystal made of multilayered pillars: confined modes, Fano resonances, and acoustically induced transparency, Physical Review Applied 9, 034013 (2018), M. Oudich, B Djafari-Rouhani, B Bonello, Y Pennec, et. al.
   
• Acoustic superfocusing by solid phononic crystals, Applied Physics Letters, 105 (2014) 233506, X. Zhou, M. B. Assouar & M. Oudich.

Modélisation numérique et approches théoriques

• Développement de modèles numériques (1D, 2D et 3D) à base d’éléments finis, de décomposition en ondes planes ou encore de la FDTD
   
•  Développement d’algorithmes à base d’intelligence artificielle tels que le deep-learning, les réseaux de neurones convolués
   
• Élaboration d’approches théoriques basées sur la théorie des milieux effectifs, de modèles électriques équivalents et multi-physique

Fabrication et mesures

• Fabrication de métamatériaux par fabrication additive
   
• Mesures et caractérisation du champ d’ondes acoustiques et vibratoires (1D, 2D et 3D). Mesures en réflexion et en transmission
   
• Vibrométrie laser Doppler à balayage (SLDV) pour la gamme de fréquences s’étalant de quelques centaines de Hz à 50kHz
   
• Double tube à impédance acoustique pour les meures de transmission, de réfection et d’absorption
   
• Système de génération et mesures d’ondes élastiques pour la gamme ultrasonique

Calcul numérique

• 3 stations de calcul numérique (512 Go de mémoire) équipées de logiciels de simulation à base d’élément finis, permettent de modéliser tous les designs, notamment complexes et 3D, des métamatériaux et métasurfaces conçus

Chercheurs CNRS

• Badreddine ASSOUAR

Enseignants-Chercheurs

• Aurélien MERKEL
• Brice VINCENT

Doctorants

• Marnix ABRAHAMS
• Tong GUO
• Mu JIANG
• Jessica MONALDI

Post-doctorants et CDD

• Liyun CAO