Les ondes solitoniques – des vagues qui gardent leur forme et leur direction de mouvement pendant longtemps – ont intrigué les physiciens pendant près de deux siècles. Dans les circonstances réelles, ces vagues finissent par s'éteindre en raison de la perte d'énergie. Une équipe de physiciens de l'UVA a maintenant découvert comment un type particulier d'interaction peut être utilisé pour créer des solitons très stables, même dans des circonstances où l'énergie n'est pas conservée.
En 1834, John Scott Russell a observé un phénomène inhabituel dans le canal de l'Union en Écosse. Après qu'un bateau en mouvement s'est arrêté, la vague d'eau que le bateau avait provoqué a continué à se déplacer dans le canal, gardant pratiquement la même vitesse et la même forme.
Il a fallu plus d'un demi-siècle, jusqu'à ce que les travaux des mathématiciens néerlandais Diederik Korteweg et Gustav de Vries en 1895, avant le phénomène que Russell, a été expliqué dans tous ses détails mathématiques. Ce que Russell avait vu était une «vague solitaire», un phénomène maintenant mieux connu comme un soliton.
Aujourd'hui, nous savons que de tels solitons ne se produisent pas seulement dans les eaux peu profondes, mais aussi dans l'optique, dans les champs magnétiques et dans de nombreuses autres branches de la physique où les phénomènes des vagues jouent un rôle. Contrairement aux ondes typiques qui se propagent et se décolorent, les solitons voyagent comme des particules, en maintenant leur forme d'onde sur de longues distances.
Cependant, dans les systèmes du monde réel – où la friction ou l'apport d'énergie est inévitable – les solitons idéaux ne survivent généralement pas. Si Russell avait continué à suivre la vague causée par le bateau, il aurait finalement disparu.
Interaction asymétrique
Dans leurs dernières recherches, publiées dans Revue physique x Cette semaine, une équipe de physiciens de l'Université d'Amsterdam a relevé le défi de stabiliser les solitons dans des conditions non idéales et réelles.
Marcher sur les traces de leurs précesseurs UVA Korteweg et de Vries, le premier auteur Jonas Veenstra et ses six collaborateurs ont maintenant trouvé un moyen de créer un type spécial de soliton appelé Soliton « respirant », et de le maintenir sur une longue période, même dans les systèmes où l'énergie n'est pas conservée.
Pour y parvenir, dans le laboratoire du chef de groupe, Corentin Coulais, les chercheurs ont construit un système composé de « oscillateurs mécaniques actifs » – des tiges qui peuvent tourner et sont alimentées par de minuscules moteurs individuels, connectés à travers des élastiques. Lorsqu'un oscillateur commence à bouger, il en va de même pour son voisin, et de cette manière les ondes peuvent se former, notamment des ondes solitoniques.
Les oscillateurs particuliers qui ont été utilisés dans les expériences ont une propriété intéressante: ils peuvent s'influencer mutuellement de manière non réciproque. C'est-à-dire qu'un oscillateur influence son voisin différemment que le voisin influence l'oscillateur d'origine.
Lorsque les physiciens ont exploré comment ces interactions non réciproques ont affecté le comportement du soliton, ils ont constaté que cette asymétrie était la clé des solitons à longue durée de vie. L'asymétrie a permis à l'onde solitonique de s'accélérer puis de s'installer dans un mouvement régulier et immuable, le tout sans perdre sa forme ou sa énergie.
De l'observation à l'application
Le comportement observé avait toujours été particulièrement difficile à réaliser avec des solitons dits de « respiration », qui changent constamment leur forme à mesure qu'ils se déplacent. Cette fois, c'était précisément ce que les chercheurs ont vu: un soliton soutenu et respirant.
Bien qu'il ne soit pas complètement nouveau – le groupe a déjà observé le premier Soliton de reniflard expérimentalement il y a 6 ans – il a pris une nouvelle configuration expérimentale plus précise développée depuis lors pour épingler les conditions exactes dans lesquelles les solitons de reniflard se déplacent de manière stable sous la non-réciprocité.
Les résultats montrent l'existence de solitons robustes à longue durée de vie, même dans les systèmes où l'énergie se perd. Ce n'est pas seulement un joli phénomène que l'on peut observer dans le laboratoire, similaire à la façon dont Russell a observé le tout premier soliton d'un canal il y a deux siècles.
Les ondes solitoniques soutenues sont très utiles: elles pourraient être utilisées pour transporter des signaux ou de l'énergie efficacement, ce qui les rend prometteurs pour les applications dans les capteurs, les dispositifs d'évolution de l'énergie et les systèmes robotiques.
Avec de telles applications réelles à l'esprit, Veenstra et ses collègues tentent actuellement d'aller au-delà de simples chaînes d'oscillateurs, étudiant comment les vagues similaires se comportent dans des surfaces bidimensionnelles d'oscillateurs non écrémins.
Pour l'avenir, leurs recherches ouvrent de nouvelles possibilités d'ingénierie des matériaux intelligents qui s'appuient sur un mouvement de vague stable et autonome – une étape vers des systèmes adaptatifs qui fonctionnent de manière fiable dans toutes sortes d'environnements dynamiques.
