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La physique de l'expérimentation

Pourquoi cette expérience à l'ETH Zurich ? Les deux miroirs acoustiques du campus du H?nggerberg montrent en grand comment on expérimente avec les plus petites particules dans les laboratoires de physique. L'expérience est temporairement entreposée pour cause de travaux. Une remise en service est prévue pour le début de l'été 2022.

Deux miroirs acoustiques : si l'une des personnes parle, l'autre entend aussi des chuchotements à distance.
Transmission du son avec deux miroirs acoustiques : Si l'une des personnes se trouve exactement au point focal (point gris), elle entend l'autre chuchoter même à distance.

Vivre la recherche de manière ludique

Un phénomène connu depuis longtemps illustre les méthodes de recherche modernes. Depuis l'Antiquité grecque jusqu'à aujourd'hui, des expériences ont été menées avec des "miroirs" bombés afin de concentrer et donc d'amplifier des ondes ou des particules : des ondes sonores et aquatiques aux ondes radio et lumineuses, en passant par les ondes de matière des électrons. Les miroirs acoustiques illustrent à grande échelle ce qui se passe dans les laboratoires du campus du H?nggerberg dans certaines expériences de recherche quantique. Ces miroirs ont une forme fonctionnelle classique, mais leur Design est unique en son genre gr?ce à la collaboration entre les départements de physique et d'architecture.
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Recherche quantique dans les laboratoires de physique du campus du H?nggerberg, ETH Zurich (vidéo : ETH Zurich)

Miroirs dans la recherche quantique

La recherche fondamentale étudie le comportement des particules les plus petites, comme les ions ou les photons individuels. Les longueurs d'onde de la lumière visible ne mesurent certes qu'un millionième de mètre. Néanmoins, les ondes lumineuses se comportent de la même manière que les ondes sonores, qui ont des longueurs d'onde de l'ordre du mètre. Les particules de lumière et le son peuvent tous deux être capturés entre des miroirs et ainsi être amplifiés. Dans la recherche quantique, l'amplification sert à rendre ces particules extrêmement petites plus facilement observables.

Depuis le départ, une personne parle dans le miroir acoustique. Au foyer F, l'autre personne entend les ondes sonores concentrées. Ainsi, les chuchotements sont audibles à distance. Lignes pointillées : les ondes sonores qui s'échappent et sont finalement transformées en chaleur.
? gauche, une personne parle dans le miroir acoustique ; la personne à droite entend le son, qui est amplifié par la concentration des ondes sonores au point focal - ou foyer - du miroir de droite. Ainsi, même un chuchotement devient audible à distance. (Illustration : ETH Zurich/D-PHYS Gina Moser)

Les ondes sonores se dilatent. Toutes les ondes sonores ne sont pas captées par le miroir acoustique situé en face. De même, parmi les ondes sonores réfléchies, certaines disparaissent dans l'environnement et deviennent inaudibles. Ce son est finalement transformé en une autre forme d'énergie, la chaleur. L'animation numérique sous "Comment le son est-il réfléchi" illustre bien ce phénomène.

Comme dans l'eau, des ondes se forment dans l'air et nous les percevons comme des sons. Ces ondes sont des variations de densité dans l'air qui se propagent à partir de la source sonore. Les ondes sonores peuvent être réfléchies par des surfaces dures. C'est également ainsi que se forme l'écho dans les montagnes. Il y a 2500 ans, les architectes grecs utilisaient déjà cet effet pour la construction de thé?tres.

Les ondes sonores sont représentées par des lignes courbes. Les rayons avec les flèches indiquent la direction du son. Ils symbolisent des particules d'air disposées à l'origine de manière désordonnée, qui se rapprochent et s'éloignent temporairement lorsqu'on parle, par exemple. Lorsque le son s'arrête, les particules d'air se répartissent à nouveau uniformément dans l'espace.
Les rayons avec les flèches sur la première image indiquent la direction du son. Les lignes courbes symbolisent des particules d'air désordonnées à l'origine, qui sont par exemple rassemblées et écartées temporairement par pression en ondes sonores lorsque l'on parle. Lorsque le son s'arrête, les particules d'air se répartissent à nouveau uniformément dans l'espace. (Illustration : ETH Zurich/D-PHYS Gina Moser)

Lorsque l'on parle, les ondes sonores se propagent d'abord de manière sphérique dans toutes les directions. Dans le croquis ci-dessus et l'animation numérique ci-dessous, cette propagation sphérique est représentée en deux dimensions par une ligne courbe. Lorsque les ondes sonores rencontrent le miroir acoustique bombé, elles sont réfléchies et "redressées". Elles peuvent maintenant se propager de manière directionnelle comme une "onde plane" et rencontrent donc exactement le deuxième miroir acoustique. Elles y sont à nouveau réfléchies et concentrées sur l'oreille de la personne qui écoute. Sans les deux miroirs, la plus grande partie des ondes sonores s'échapperait et serait donc inaudible.

Animation numérique des ondes sonores entre deux miroirs acoustiques représentés par deux lignes courbes - on voit donc les miroirs d'en haut.
(Animation : EMPA, Acoustique/Lutte contre le bruit, Kurt Heutschi)

 

Ondes sonores - recherche à l'EMPA

Animation numérique des ondes sonores entre deux miroirs acoustiques, représentés par deux lignes courbes - on voit donc les miroirs d'en haut. Le son provient du c?té gauche. Le rouge intense symbolise une forte surpression, le bleu intense une forte dépression.

C'est surtout avec des sons aigus que l'on peut étudier numériquement, sous forme de modèle, comment le son (plus précisément la pression acoustique) se propage et est réfléchi par des obstacles, ici les miroirs acoustiques.

Les miroirs acoustiques du campus du H?nggerberg sont sphériques, c'est-à-dire qu'ils font partie d'une sphère. Il en résulte une "assiette" bombée vers l'intérieur qui reflète les ondes sonores de manière focalisée.

Un tel miroir concave possède un point focal, le foyer, au niveau duquel les ondes planes incidentes sont concentrées. Plus la bouche de l'émetteur et l'oreille du récepteur sont proches du foyer du miroir, plus on peut entendre. Plus la surface des deux miroirs acoustiques est dure et lisse, mieux le principe fonctionne. Les surfaces dures et lisses réfléchissent mieux le son que les surfaces molles et rugueuses.

Miroir sphérique (arc noir), rayons entrants du miroir opposé (rouge), rayons réfléchissants (vert), F = foyer ou point focal. Les rayons ne se rencontrent pas parfaitement au foyer, car le miroir est de forme sphérique et non parabolique.
Miroir sphérique (arc noir), rayons entrants du miroir opposé (rouge), rayons réfléchissants (vert), F = foyer ou point focal. Axe optique : emplacement pour le meilleur fonctionnement - on entend donc le son réfléchi et focalisé. (Graphique : par Synkizz - Propre travail, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org )

Les ondes sonores ne sont pas les seules à pouvoir être concentrées au moyen de miroirs : tous les types d'ondes le sont aussi. Les physiciens exploitent aujourd'hui ce principe pour la recherche fondamentale actuelle, notamment à l'ETH Zurich. Ils focalisent les ondes électromagnétiques comme les ondes lumineuses et radio, mais aussi les ondes de matière des électrons.

Dans la recherche quantique en particulier, il est important de concentrer les signaux les plus infimes et de les rendre ainsi observables. Si l'on utilise deux miroirs bombés pour réfléchir la lumière dans un sens et dans l'autre, il est même possible de capturer et d'amplifier des particules de lumière individuelles, appelées photons.

? l'Institut d'électronique quantique de l'ETH Zurich, les photons sont amplifiés au moyen de deux miroirs pour différentes expériences de recherche fondamentale.
? l'Institut d'électronique quantique du campus du H?nggerberg de l'ETH Zurich, les photons (particules de lumière) sont amplifiés au moyen de deux miroirs pour différentes expériences de recherche fondamentale. La fine ligne rouge symbolise un rayon laser. (Illustration : ETH Zurich/D-PHYS Tobias Donner)

Communication quantique et capteurs

L'interaction des atomes avec les photons peut également être étudiée de cette manière. Ceci est par exemple important pour la communication quantique à l'abri des interceptions. Même la répulsion des photons réfléchis par un miroir peut être rendue visible et utilisable. Cela constitue la base pour construire des capteurs d'une sensibilité inégalée jusqu'à présent et qui peuvent ainsi recevoir des signaux extrêmement fins.

Si la distance entre les deux miroirs correspond à un multiple de la moitié de la longueur d'onde, il n'y a que peu de pertes et les ondes s'amplifient en permanence. Comme pour un diapason, le système est en résonance et l'onde est amplifiée. Cela permet d'explorer l'interaction entre les atomes et les photons.
Si la distance entre les deux miroirs correspond à un multiple de la moitié de la longueur d'onde, il n'y a que peu de pertes et les ondes s'amplifient en permanence. Comme pour un diapason, le système est en résonance et l'onde est amplifiée. Cela permet d'explorer l'interaction entre les atomes et les photons. (Illustration : ETH Zurich/D-PHYS Gina Moser)

Les miroirs sphériques et paraboliques sont également utilisés dans de nombreux domaines techniques. Les applications vont du four solaire, de l'antenne parabolique aux phares de voiture. Les lentilles, quant à elles, concentrent directement le rayonnement sans le réfléchir.

Le four solaire recueille la lumière du soleil dans un miroir concave qui réfléchit les rayons et les concentre au foyer, les amplifiant ainsi. Les antennes paraboliques sont basées sur le même principe et concentrent les ondes radio. Les lentilles peuvent concentrer les rayons en un point et ainsi les amplifier.
Le four solaire recueille la lumière du soleil dans un miroir concave qui réfléchit les rayons et les concentre au foyer, les amplifiant ainsi. Les antennes paraboliques sont basées sur le même principe et concentrent les ondes radio. Les lentilles peuvent concentrer les rayons en un point et ainsi les amplifier. (Illustration : ETH Zurich/D-PHYS Gina Moser)

Le son et le bruit sont partout

Tous les jours, il est autour de nos oreilles et pourtant, dans la vie quotidienne, nous nous occupons peu de la diversité du son. Un coup d'?il sur les page externeSite web du département administratif Acoustique / Réduction du bruit de l'Empa montre à quel point le sujet est complexe et passionnant. Kurt Heutschi a soutenu les étudiantes. page externedans le MAS Digital Fabrication en tant que spécialiste conseil en acoustique.

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