Projets Scientifiques du GDR IMCODE

 

 

Redacteurs : Bart VAN TIGGELEN (LPMMC-Grenoble : SPM-05, Arnaud DERODE (LOA – Paris : SPM 05).

 

Paris, le 5 juillet 2002

 

Les 5 thématiques

 

Cinq thématiques ont été définies dans le cadre du GDR. Chacune est interdisciplinaire et réunit des aspects fondamentaux et appliqués qui doivent se rapprocher au cours du temps.

 

1.      Perception et Traitement de l’Information en Milieu Désordonné

 

Animateurs :

 

Ø       Ghaïs EL ZEIN (Institut National des Sciences Appliquées – Rennes)

Ø       Jean-Claude BELFIORE (Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications – Paris)

Ø       Gérard AUTHIE (Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes - Toulouse)

Ø       Arnaud TOURIN (Laboratoire Ondes et Acoustique – Paris)

Ø       Josselin GARNIER (Laboratoire de Statistique et Probabilités – Toulouse)

Ø      Sergey SKIPETROV (Laboratoire de Physique et  Modélisation des Milieux Condensés – Grenoble)

 

Plusieurs domaines de recherche font appel aux concepts de propagation des ondes en milieu désordonné en vue de transférer de l’information, comme la téléphonie « portable » en milieu urbain ou la communication en milieu aquatique turbide, ou encore les nouvelles architectures pour les dispositifs de la nano-électronique où les composants de base s’assemblent spontanément par auto organisation sans ordre défini a priori.

 

Communication & Désordre

 

Une question centrale est la suivante : pour un ensemble de sources et de détecteurs enfouis dans un milieu désordonné et émettant et captant des signaux sous formes d’ondes codées ( par modulation ou tout autre procédé ), comment communiquer de l’information de façon optimale alors que la diffusion multiple et le désordre semblent nous en empêcher? Cette question se pose naturellement aux spécialistes de télécommunications, notamment hertziennes, mais sa solution fait appel à des concepts de physique mésoscopiques (corrélations de champs diffus, matrices aléatoires). Cette approche n’est pas habituelle dans la communauté de télécommunication. Hélas, le contraire est vrai aussi : Le langage « information » avec ses concepts « entropie » et « capacité »  est – à tort - peu utilisé dans la communauté de la diffusion multiple des ondes. Il est donc indispensable de faire interagir les différentes communautés concernées.

 

MIMO

 

Dans le domaine des communications sans fil, l'utilisation de réseaux d'antennes simultanément en émission et en réception est un concept récent très prometteur. Les recherches menées sur ce thème ont montré des résultats particulièrement intéressants portant sur l'amélioration de l'efficacité spectrale des transmissions numériques dans un environnement riche en diffuseurs.  Le canal de transmission présentant plusieurs entrées et plusieurs sorties, l'ensemble de ces techniques est généralement connu sous le nom de techniques MIMO, où MIMO signifie « Multiple Inputs - Multiple Outputs » en anglais.

 

Compte tenu de la multiplicité des obstacles rencontrés, la propagation des ondes dans une ville ou même dans un bâtiment est particulièrement complexe. On estime que la distance moyenne entre deux diffusions (mesurée par le libre parcours moyen) est, pour une fréquence de 2 GHz, de l’ordre d’une dizaine de mètres en milieu urbain et de l’ordre du mètre à l’intérieur d’un bâtiment. Pour des distances émetteur/récepteur supérieures à cette longueur caractéristique, l’onde est diffusée plus d’une fois et les techniques classiques de télécommunications deviennent moins efficaces. Pour autant, il a été montré [G. J. Foschini and M. J. Gans, Wireless Personal Communication, Vol. 6, p.311 ; M. Andrews, P.P. Mitra, R. de Carvalho, Nature, 409, 316 (2001) ; A. L. Moustakas, H.U. Baranger, L. Balents, A. M. Sengupta, S.H. Simon, Science 287, 287 (2000); S.H. Simon, A.L. Moustakas, M. Stoychev, H. Safar, Physics Today 54(9), 38 (2001)] qu’on peut tirer profit du désordre pour créer de nouveaux canaux d’information et par là-même améliorer la capacité, c’est-à-dire le taux maximal de transfert de l’information sans erreur (mesuré en bits/s/Hz). En effet, si l’on dispose de N émetteurs et N récepteurs, la capacité peut alors être multiplié par N par rapport à une configuration à un émetteur et un récepteur alors que dans un milieu homogène elle n’augmentera au mieux que comme log(N). C’est sur cette idée qu’est fondée la technique MIMO. A ce stade de nombreuses études tant théoriques qu’expérimentales sont encore nécessaires pour trouver les meilleures façons d’acheminer l’information en utilisant cette technique. A cette fin, les expériences des différentes équipes s’intéressant au sujet doivent être confrontées. En effet, si l’optimisation du codage et du traitement de l’information est une voie possible pour tirer profit de l’augmentation de la capacité en milieu désordonné, des techniques de focalisation telles que le retournement temporel, déjà très étudié en acoustique, sont envisageables. Si des liens existent entre ces différentes approches, la pierre d’achoppement pour de nouveaux progrès est sans doute la différence de langage entre physiciens de cultures différentes (télécommunications hertziennes, traitement du signal, acoustique, milieux désordonnés). Ce GDR sera le lieu idéal et unique pour les rassembler autour de projets communs et progresser ainsi plus vite.

Codage Espace-Temps.

Les systèmes multi-éléments MIMO se caractérisent par cette propriété que chaque bloc fonctionnel est adapté à la transmission/réception sur plusieurs antennes. Contrairement aux architectures classiques où le traitement spatial, en supposant qu'il existe, est concentré en tête de la chaîne (traitement d'antennes), le concept MIMO dilue ce traitement sur l'ensemble de la chaîne. Ainsi une chaîne d'émission/réception MIMO se présente comme une généralisation des chaînes classiques en ce sens que les blocs à une seule entrée et une seule sortie (données scalaires) sont remplacés par des blocs à plusieurs entrées et plusieurs sorties (données vectorielles), liés mathématiquement par une matrice aléatoire N x N.

Les fonctions codage et modulation ont été étendues et adaptées à la transmission/réception sur plusieurs antennes. Le système BLAST (Bell Labs) représente le premier pas dans cette direction en proposant une solution autorisant la réutilisation des familles de codes classiques aux communications MIMO. Cependant, le véritable tournant remonte au papier de Tarokh  qui a jeté les bases de la construction des codes temps-espace. La littérature sur le sujet n'a cessé de croître présentant diverses généralisations pour différents types de canaux, et ce, dans les cas cohérents et non cohérents.

On s'achemine d'ailleurs vers un schéma combinant les techniques de codage espace-temps qu'on commence à nommer " précodage " avec les techniques plus classiques de codage correcteur d'erreurs (codes en treillis, en blocs, concaténés, ...).

 

 

2.      Ondes en Milieux Complexes

 

Animateurs :

Ø       Reinhardt HÖHLER (Université de Marne-la-Vallée)

Ø       Christian MINIATURA (Laboratoire Ondes et Désordre – Nice)

Ø       Michel CAMPILLO (Laboratoire de Géophysique Interne et Tectonophysique – Grenoble)

Ø       Bahram DJAFARI-ROUHANI (Laboratoire de Dynamique et Structures des Matériaux Moléculaires – Lille)

Ø       Geert RIKKEN (Laboratoire des Champs Magnétiques Pulsés – Toulouse)

Ø       Fabrice MORTESSAGNE (Laboratoire de Physique de la Matière Condensée – Nice)

Ø      Julien DE ROSNY, Mathias FINK (Laboratoire Ondes et Acoustique - Paris)

 

Depuis les premières formulations du transfert radiatif au début du 20e siècle, la diffusion multiple des ondes a d'abord été étudiée dans un contexte astrophysique (la photosphère du soleil ou l'atmosphère de Venus, les nuages interstellaires,…) et électronique (la conductivité ohmique). Un défi récent concerne la propagation des ondes de toute nature (acoustique et élastique, électromagnétique, sismique, ondes de matière) dans les milieux complexes, et l’élargissement du champ de la physique « mésoscopique » de  l’échelle « nano », (domaine de la mésoscopie quantique actuelle), jusqu’aux échelles « micro », « milli » et même « kilo ». Différentes catégories de milieux complexes peuvent être identifiées:

 

1.      Les milieux fortement hétérogènes: les poudres semi-conductrices avec un libre parcours moyen plus court que la longueur d'onde optique (induisant la localisation forte d’Anderson);  les matériaux aux bandes interdites (photoniques ou phononiques) dopés ou non, les condensats de Bose-Einstein, les milieux granulaires, les mousses.

 

2.      Les milieux à symétrie brisée: brisure de renversement du temps par des vorticités hydrodynamiques, ou par des champs magnétiques; brisure de la symétrie par rotation dans les cristaux liquides; brisure de la symétrie miroir dans les cholestériques, les matériaux gauchers (en anglais « left-handed materials ») présentant une constante diélectrique et une perméabilité magnétique négatives.

 

3.      Les milieux naturels: la croûte terrestre, l'atmosphère terrestre, les anneaux de Saturne, les tissus biologiques ou humains, les surfaces planétaires, les gels.

 

 

4.      Désordre complexe: diffuseurs atomiques (avec plusieurs niveaux internes), diffuseurs anisotropes (Polymer Dispersed Liquid Crystals), milieux chaotiques, diffuseurs dynamiques (colloïdes, aérosols et différents cristaux de glace).

 

Evidemment, plus le milieu est complexe, plus l'analyse sera complexe, et plus les principes de base seront importants: la conservation de l'énergie, la réciprocité, la symétrie miroir, les corrélations géométriques, la symétrie par renversement du temps et les relations d'Onsager pour les coefficients de transport, l'équipartition dans l’espace des phases, la symétrie Galiléenne.

 

L’éventail des matériaux et des applications est évidemment très vaste, mais relève de la même approche mésoscopique des phénomènes ondulatoires. Un des rôles du GDR IMCODE sera de réunir différentes équipes concernées.

 

 

Ø      Micro-ondes en milieu hétérogène

·         Patrick SEBBAH, Christian VANNESTE, Olivier LEGRAND (LPMC –Nice)

·         Bart VAN TIGGELEN (LPMMC-Grenoble)

·         Contact international (Prof. Azriel GENACK, Queens College, New York)

 

La statistique des ondes en milieu désordonné se construit autour des fluctuations et des corrélations du champ, , et des quantités qui en dérivent : l’intensité , le temps de retard , le temps de Wigner , mais aussi la dérivée spatiale de la phase , le courant , la distribution de Wigner dans l’espace des phases (transformée de Fourier des corrélations du champ), l’intensité totale transmise ou la conductance. Le comportement statistique de ces différentes quantités traduit le rôle essentiel des interférences et la mesure de leurs corrélations spatiales, spectrales ou temporelles permet par exemple de caractériser les différents régimes de propagation : balistique, diffus ou chaotique, localisé.

 

Afin de poursuivre cette étude pour explorer ces quantités, on envisage de considérer plus avant les milieux multiplement diffusifs dans le domaine des micro-ondes et  de concevoir une nouvelle expérience dans le domaine de l’acoustique ultrasonore qui doit permettre une mesure spatiale et temporelle du champ à l’intérieur d’un milieu bidimensionnel.

 

Ø       Acoustique des milieux granulaires

·         Xiaoping JIA, Pierre MILLS (LLPMDI-Marne la Vallée)

·         P. EVESQUE (Ecole Centrale, Paris)

·         Arnaud DERODE, Arnaud TOURIN (LOA Paris)

·         Contact international : Prof. A. Castellanos (Séville, Espagne), Prof. John PAGE (Winnipeg, Canada).

 

Cette thématique consiste à étudier les comportements mécaniques des matériaux granulaires et hétérogènes par la propagation des ondes ultrasonores. On s’intéressera au lien entre les propriétés viscoélastiques d’un milieu granulaire sec et la mécanique des contacts à l’échelle des grains et les réseaux de forces à l’échelle mésoscopique. Les techniques d’investigation sont la spectroscopie ultrasonore et la méthode acousto-optique.

 

Les objectifs sur 4 ans seront l’étude de la plasticité des milieux granulaires soumis à de grandes déformations par mesures couplées ultrasonores/mécaniques et la modélisation de la propagation des ondes élastiques en milieux hétérogènes, qui tiennent compte de la mécanique des contacts non linéaires. La méthode ultrasonore sera aussi utilisée pour étudier des matériaux granulaires cohésifs (poudres, systèmes frittés).

 

A l’aide de réseaux de capteurs piézo-électriques on étudiera les paramètres de transport des ultrasons en milieux granulaires (sable ou bille, éventuellement béton). Ces études servent également à réaliser des expériences reproduisant la croûte terrestre « à petite échelle » dans le cadre de l’étude de la coda sismique.

 

Ø       Condensats de Bose-Einstein et Atomes Ultrafroids

·        Christian MINIATURA , Robin KAISER, Guillaume LABEYRIE, David WILKOWSKI (LOD-Nice)

·        Yvan CASTIN, Jean DALIBARD, Dominique DELANDE  (LKB-Paris)

 

Le système atomes-lumière constitue un système modèle, à la fois théorique et expérimental, pour l'étude des effets d'interférences en diffusion multiple. Un atome est un diffuseur ponctuel, ce qui constitue  une simplification cruciale dans l’étude théorique.

 

On se propose de mener une étude expérimentale et théorique sur les points suivants :  mésoscopie atomique (effets de saturation, rôle du pompage optique, rôle du spectre inélastique, corrélations temporelles…), effets de densité atomique sur la diffusion des photons (diffusion multiple récurrente), spectroscopie des ondes diffuses dans les gaz d’atomes froids.

 

Une expérience sur la localisation forte de la lumière dans un gaz d'atomes froids peut être envisagée. Pour réaliser ce projet ambitieux, le critère de Ioffe-Regel pour la localisation forte impose de travailler autour de la transition de Bose-Einstein. Une complication sera le mouvement des atomes, ce qui risque de réduire l’apparition de la localisation forte des photons.  Une étude théorique préliminaire a été déjà effectuée au LKB.

 

Dans un deuxième temps le GDR IMCODE pourrait aider à démarrer une réflexion sur la diffusion multiple et la mésoscopie d'ondes de matière ou même d’un vrai BEC dans un speckle optique.

 

Ø      Rhéologie des mousses aqueuses

·         Reinhard HÖHLER,  Sylvie COHEN-ADDAD (LPMDI-Marne-la-Vallée)

·         Sergey SKIPETROV (LPMMC-Grenoble)

·        Contact international : A. KRAYNIK (Sandia Lab.)

 

Cette thématique consiste à étudier le lien entre les propriétés viscoélastiques du système et les changements topologiques se produisant à l’échelle microscopique. La technique d’investigation innovante est la spectroscopie optique (DWS) couplée à des mesures rhéologiques. Les méthodes inverses appropriées sont également développées pour interpréter les résultats expérimentaux.

 

Les objectifs scientifiques sur les 4 ans à venir seront la modélisation numérique du comportement rhéologique des mousses et la mise au point d’une nouvelle sonde champ proche pour mesurer la topographie de surface ainsi que la dynamique des milieux turbides. Cette technique sera aussi utilisée pour étudier les propriétés dynamiques de surface décorées de nanoparticules.

 

Ø      Rhéologie et Bio-Rhéologie des Gels

·         Bérengère ABOU, Alain PONTON & Patrice FLAUD (LBHP-Paris),

 

Certains gels présentent un grand intérêt pour leurs nombreuses applications technologiques et bio-technologiques. Dans de nombreux cas, on comprend cependant encore assez mal les étapes de la gélification, ainsi que les paramètres physico-chimiques agissant sur la structure finale et le comportement visco-élastique de ces matrices sol-gel.

 

Actuellement, on développe un dispositif de diffusion de lumière quasi-élastique et multispeckle. Ce dispositif sera complémentaire des expériences de rhéologie classique et micro-rhéologie, déjà disponibles. On espère ainsi comprendre plus précisément le lien entre les propriétés visco-élastiques de ces gels et leur structure, ainsi que les paramètres physico-chimiques pouvant les influencer. Des mesures de diffusion statique et dynamique de la lumière permettront d’une part de suivre l'évolution de la structure au sein du gel lors de sa formation (croissance des agrégats, taille des pores, hétérogénéités) et d’autre part d’étudier la dynamique des particules au sein de l’échantillon.

 

Un projet à effectuer dans le cadre du GDR IMCODE consistera à coupler les techniques expérimentales de rhéologie et de diffusion de lumière. On pourra ainsi suivre la cinétique de gélification de ces gels sous cisaillement et étudier leur comportement non-linéaire. L'étude de cette cinétique comporte un intérêt autant fondamental car elle est mal comprise, qu'industriel car elle reflète le processus de fabrication de nombreux gels.

 

Des méthodes de caractérisation, telles que la diffusion de lumière et de rayons X, permettront aussi de relier le comportement rhéologique et les différentes structures et orientations induites par cisaillement dans de nombreux fluides complexes.

 

Ø      Optique de la Matière Molle

·         David LACOSTE et Tony MAGGS (LPCT-ESPCI Paris)

·         Contact international : Frank SCHEFFOLD (Friburg, Suisse), Arjun YODH (Université de Pennsylvanie)

 

Ce projet de recherche vise à soutenir et à développer les applications de la diffusion multiple à la matière molle. Il contient deux volets : l’un vise à mieux comprendre certaines techniques expérimentales utilisées pour sonder la matière molle, l’autre vise à répondre à des questions plus fondamentales concernant la diffusion multiple en milieu complexe.

 

Une des techniques expérimentales pour sonder un milieu complexe est la DWS (« Diffusive Wave Spectroscopy »), qui permet d’obtenir des informations dynamiques sur les propriétés d’un milieu complexe (notamment sur le vieillissement ou sur les propriétés mécaniques du milieu) sans le perturber. Cela est réalisé expérimentalement à l’ESPCI par F. Lequeux et par M. Cloître appartenant respectivement aux Laboratoire de Physico-Chimie Macromoléculaire et au Laboratoire Matière Molle et Chimie. Des collaborations scientifiques devraient se développer avec eux, qui ne font pas (encore) partie du GDR IMCODE, mais sont des utilisateurs de la DWS. Dans ce volet du projet, on se  propose de mener des recherches sur le plan théorique concernant le rôle de la polarisation de la lumière en DWS, encore assez mal compris dans la littérature. Ces recherches visent à utiliser le bénéfice possible de mesures de DWS avec de la lumière polarisée, en vue d’évaluer si possible quantitativement l’anisotropie des diffuseurs (anisotropie due aux effets de taille des diffuseurs ou anisotropie optique présente dans le milieu). Ce projet utilisera l’expertise en DWS de nombreux membres du GDR IMCODE.

 

L’autre volet du projet est plus fondamental et vise à comprendre de façon plus générale la polarisation de la lumière en diffusion multiple en utilisant des développements récents de la théorie des polymères. En effet les deux phénomènes (diffusion multiple et chaîne de polymère) sont tous deux décrits par des marches aléatoires, ce qui permet d’envisager des liens concrets entre les deux domaines. Par exemple des développements récents dans la description des effets topologiques dans les polymères ont des équivalents dans le domaine de l’optique où les effets topologiques se manifestent au niveau de la polarisation de la lumière (voir sur ce sujet par exemple A. C. Maggs et V. Rossetto, PRL 87, 253901 (2001)).

 

 

Ø      Magnéto-optique et magnéto-chiralité

·         Geert RIKKEN (LCMP-Toulouse)

·         Bart VAN TIGGELEN (LPMMC –Grenoble)

·         Contact international : Prof. Georges WAGNIERES (Université de Zurich).

 

La magnéto-optique étudie l’interaction des photons avec la matière en présence d’un champ magnétique externe. Les matériaux peuvent être homogènes ou hétérogènes.

 

Ces dernières années, un nouveau phénomène magnéto-optique dans des systèmes chiraux a été mis en évidence ; l’anisotropie magnéto-chirale  C'est l'effet croisé de la rotation Faraday et du pouvoir rotatoire, qui fait donc appel à deux symétries brisées. Il implique une différence dans les propriétés optiques d’un système chiral pour la lumière non-polarisée selon qu’elle se propage parallèlement ou anti-parallèlement à un champ magnétique externe. Cette différence a des signes opposés pour les deux chiralités possibles. Ce phénomène a été observé en luminescence, en absorption (G.L.J.A. Rikken et E. Raupach, Nature 390, 493, 1997) et en réfraction ainsi qu’en transport diffusif des électrons (G.L.J.A. Rikken, J. Fölling et P. Wyder, Phys. Rev. Lett. 87, 236602 (2001).

 

Récemment, l’équipe Van Tiggelen a évoqué  l’existence éventuelle de ce phénomène dans la diffusion de la lumière par des objets chiraux, comme une hélice.  On a l’intention de vérifier cette prédiction mais surtout de réfléchir à la faisabilité d’une validation expérimentale. Ce travail théorique a révélé une analogie remarquable avec l'effet Aharonov-Bohm en mécanique quantique. Est-ce que l'effet Sharvin-Sharvin et les courants persistants existent pour les photons dans un milieu magnéto-chiral? Ceci est un projet de thèse en cours (thésard : M. Felipe PINHEIRO).

 

Un phénomène magnéto-électro-optique a été mis en évidence: l’anisotropie magnéto-électrique (T. Roth and G.L.J.A. Rikken, Phys. Rev. Lett. 85, 4478, 2000). Ce phénomène implique une différence dans les propriétés optiques d’un système arbitraire simultanément sous champs magnétique (B) et électrique (E) pour la lumière non-polarisée selon qu’elle se propage parallèlement ou anti-parallèlement à E x B. La première observation a été faite en absorption dans un milieu homogène, mais des arguments de symétrie suggèrent que ce phénomène devrait aussi exister en diffusion de la lumière. Comme l’anisotropie magnéto-chirale, l’anisotropie magnéto-électrique pourrait impliquer une déviation de la loi de diffusion de Fick.  Une réflexion sur l’existence de ce phénomène dans d’autres domaines relevant de la diffusion sera menée à bien dans le cadre du GDR.

 

Ø      Milieux Chaotiques

·         Fabrice MORTESSAGNE (LPMC-Nice)

·         Julien DE ROSNY (LOA Paris)

·         Frédéric FAURE (LPMMC-Grenoble)

·        Christian MINIATURA (LOD-Nice)

·        Contact international : Prof. Richard WEAVER (Urbana-Champaign, USA)

 

La propagation des ondes dans les milieux chaotiques, à l’origine un sujet assez académique en mécanique quantique, fait actuellement l’objet de recherches fondamentales et appliquées depuis maintenant une dizaine d’années aussi bien en optique, qu’en micro-ondes ou en acoustique. Les axes de recherche sont nombreux : propriétés spectrales, invariance par retournement du temps, ergodicité,  réciprocité etc.

 

En acoustique

 

Un sujet de recherche très actif dans le nouveau GDR IMCODE sera la télécommunication. En acoustique ultrasonore (1-10 MHz), on peut reproduire à petite échelle le comportement d’une onde électromagnétique se propageant dans une ville où les immeubles, les murs, les plafonds agissent comme autant de réflecteurs chaotiques. Ici, on désire profiter de l’ergodicité dans les systèmes chaotiques afin de multiplier les canaux de communication. D’autres recherches portent sur la fabrication d’un système d’imagerie ultrasonore en couplant un ensemble d’émetteurs-récepteurs au milieu à imager par l’intermédiaire d’un système chaotique. Ici, c’est la propriété d’hyper-focalisation par renversement du temps dans les systèmes chaotiques qui est exploitée afin de diminuer le nombre d’émetteurs/récepteurs et donc le coût par rapport à un système classique d’imagerie. Ces deux exemples d’application montrent clairement la pluridisciplinarité de tels sujets. Le GDR IMCODE sera donc un outil unique afin d’aider la communication et la collaboration entre les différents laboratoires de chaque discipline.

 

En optique

 

Les études expérimentales menées jusqu'à présent dans une fibre à section chaotique ont porté sur la propagation d'une superposition de modes. Il n'existe à ce jour aucune expérience d'optique permettant de visualiser les modes individuels et d'en étudier les propriétés. Or, l'étude expérimentale des modes propres d'un système chaotique constitue en soi un enjeu considérable. En particulier, une étude complète et exhaustive des modes localisés de type scar  (les orbites périodiques) reste à réaliser. Diverses approches expérimentales sont envisagées afin d'exciter sélectivement les modes d’une fibre optique multimode à section chaotique. Un contrôle angulaire précis de l'excitation associé à différents types de couplage permet par exemple alors de sélectionner les vecteurs d'onde dans la fibre et par conséquent les modes propres.

 

Les fibres chaotiques offrent d'autres potentiels dans le domaine des télécommunications optiques. Dans une fibre tronquée, le caractère chaotique de la géométrie permet de lever la quasi-dégénérescence des modes, en fonction du nombre d’onde transverse, généralement présente dans une fibre à section circulaire. Cette propriété (connue sous le nom de  «répulsion de niveaux» dans le contexte du chaos quantique) permet de différencier les modes à partir d'une sélection en fréquences spatiales et devrait faciliter leur excitation par les méthodes citées précédemment. Une telle maîtrise de la sélection modale permettrait de réaliser un multiplexage en vecteur d'onde transverse et d'accroître de façon considérable la capacité de transmission des fibres optiques multimodes.

 

Enfin, dans le contexte du chaos ondulatoire, les scars qui résultent d’un effet cohérent d’interférences constructives se prêtent très bien à l’étude de l’influence des effets non-linéaires sur les phénomènes cohérents. Par exemple, on envisage d’introduire du gain le long de l’orbite périodique simple à 2 rebonds de notre fibre chaotique, afin d’amplifier les modes de type scars qui lui sont associés, pour réaliser un « laser à scars ».

 

En micro-ondes

 

Dans une cavité micro-onde on a mis en évidence deux types de pertes ohmiques : l’une le long de la propagation, l’autre liée aux pertes subies lors des réflexions sur le cadre de la cavité et qui dépend a priori fortement de la façon dont la répartition des champs s’effectue sur les bords de la cavité, ce qui induit des comportements très variables selon qu’il s’agit d’une cavité rectangulaire régulière ou d’une cavité de type Sinaï chaotique. Les modèles existants de cavités ouvertes sont insuffisants pour rendre compte de cette richesse de comportements et l’élaboration de nouveaux modèles est nécessaire. Une compréhension des statistiques spatiales des modes au voisinage des bords sera nécessaire, aussi bien pour les modes dits ergodiques que pour ceux de type scar.

 

Ainsi, nous pourrons mettre à l’épreuve les différents modèles proposés actuellement dans les limites de couplage faible ou fort en fonction du nombre de canaux de fuite. Nous y étudierons également comment un grand nombre de modes de la cavité peuvent être couplés à la résonance fondamentale d’une cavité plus petite : ce type de configuration correspond à un système modèle pour la description de la dissipation dans les systèmes complexes.

 

Ø      Matériaux aux bandes interdites

·         Bahram DJAFARI ROUHANI et Jérôme VASSEUR  (LDSMM-Lille)

·         Daniel MAYSTRE (Institut Fresnel, Marseille)

·         Jean-Michel Lourtioz (IEF Orsay)

·         Arnaud TOURIN (LOA Paris)

·        Contacts internationaux : Prof. Sajeev JOHN (Université de Toronto), Profs. Willem VOS et Ad LAGENDIJK, Dr. Rudolf SPRIK (Université de Twente, Pays-Bas) ; Prof. John PAGE (Winnipeg, Canada), Prof. Costas SOUKOULIS (Université de Iowa, USA),

 

Dans les cristaux, les électrons sont localisés dans des bandes d’énergie séparées par des domaines où l’on ne peut trouver aucune orbitale ondulatoire; de telles régions sont appelées bandes interdites. Celles-ci résultent de l’interaction des ondes associées aux électrons de conduction avec les ions du cristal répartis périodiquement aux nœuds du réseau cristallin.

 

Sur le même principe, des matériaux photoniques à bandes interdites sont étudiés depuis quelques années. Il s’agit de réseaux diélectriques périodiques dont le pas est de l’ordre de la longueur d’onde de la lumière. Si le couplage entre la lumière et le matériau est suffisant, il peut exister des domaines de fréquence pour lesquels le matériau se comporte comme un réflecteur parfait et ce quelle que soit la direction d’illumination. Plus récemment encore, l’intérêt s’est porté sur des matériaux phononiques à bandes interdites susceptibles de bloquer la propagation acoustique à des fréquences audibles ou ultrasonores.

 

Aujourd’hui on peut constater que les équipes travaillant sur cette thématique sont extrêmement nombreuses dans le monde entier parce que les applications abondent. Le GDR IMCODE a l’intention d’entretenir des contacts avec cette communauté sans pour autant faire des matériaux aux bandes interdites un axe majeur. On s’intéressera à la modélisation numérique et analytique de la propagation des ondes dans les matériaux à bandes interdites phononiques et photoniques. En photonique on s’orientera vers l'étude des micro-guides optiques et des structures à fibres photoniques. En phononique, on s’intéressera aux ondes acoustiques et élastiques dans des structures périodiques à 2 ou 3 dimensions (réseaux de tiges métalliques ou de bulles).

 

Ø      Nanosystèmes Désordonnés

·         Frank HEKKING (LPMMC-Grenoble)

·        Gilles MONTAMBAUX (GPS Paris)

·        Oriol BOHIGAS (LPTMS-Paris)

·        Contacts internationaux : Prof Markus BÜTTIKER (Université de Genève)

 

La recherche fondamentale sur les systèmes électroniques de dimensions réduites a connu un grand essor pendant ces dernières années. Cette croissance remarquable est étroitement connectée aux besoins des sciences et technologies de l’information et de la communication, l’un des défis majeurs étant le développement de circuits intégrés plus petits et plus performants. D’une part il s’agit de mieux comprendre les implications des effets de petite taille sur les propriétés des métaux ou des semi-conducteurs conventionnels. D’autre part, on cherche une ouverture vers de nouvelles technologies comme l’électronique moléculaire (nanotubes de carbone), les structures hybrides (jonction métal-matériau ferromagnétique) ou encore l’information quantique (systèmes photoniques, nanocircuits supraconducteurs). Les recherches se situent pleinement dans cette perspective et concernent le transport électrique et thermoélectrique dans des conducteurs nanostructurés, la supraconductivité mésoscopique ainsi que le bruit quantique.

 

La description physique des systèmes nanométriques est rendue compliquée par l’apparition des phénomènes particuliers. Par exemple, les petits systèmes ne sont pas auto-moyennants dans le sens de la limite thermodynamique. Les taux de relaxation sont souvent assez faibles, ce qui mène à des situations hors équilibre (par exemple lors du transport électrique). De plus, une description purement classique n’est pas toujours justifiée et des effets quantiques, le rôle des interactions, ainsi que des effets associés à la géométrie précise doivent être pris en compte. Un intérêt particulier doit être porté au transport dans les systèmes hybrides.  L’étude de telles structures formées de l’association de différents matériaux spécifiques (métalliques, magnétiques, supraconducteurs, semi-conducteurs, moléculaires,…) révèle de nouveaux effets physiques. Elle est donc source de nouvelles fonctionnalités pouvant être utilisées par exemple dans l’électronique du futur.

 

Ces activités de recherche se déroulent en collaboration avec d’autres laboratoires en France et à l’étranger. En France, ils sont coordonnés par le nouveau GDR « Physique Quantique Mésoscopique », dirigé par Gilles MONTAMBAUX. Pour le GDR IMCODE il sera très important de créer un bon contact avec ce GDR, qui est davantage orienté vers la mécanique quantique à l’échelle « nano » , mais où l’approche mésoscopique est déjà très bien établie.

 

Ø      Vorticités

·         Chantal Staquet, Jan-Bert FLOR, Philippe ROUX, Bruno VOISIN, (LEGI-Grenoble)

·        Stéphan FAUVE (LPS Paris)

 

La formation des vortex cohérents est caractéristique des écoulements et de la turbulence anisotrope. Par cascade inverse, l’énergie est transférée vers les vortex à grande échelle qui dominent l’écoulement. La plupart des milieux anisotropes contiennent aussi des ondes internes. Par exemple, les océans et l’atmosphère sont des couches stratifiées stable en densité et sous l’influence de la rotation terrestre. Les vortex y sont présents et les ondes sont constamment provoquées par les forçages (convection, friction) et le mélange par des tourbillons instables. Dans ce contexte géophysique, on s’intéressera à la dynamique d’un vortex en fluide stratifié et/ou tournant et à son interaction avec une onde.

 

Afin d’obtenir une information quantitative on mesure le champ de vitesse par PIV (« Particle Image Velocimetry »). Actuellement des méthodes de mesure de champ de vitesse tridimensionnel sont en cours qui, dans l’avenir, peuvent servir en complément des mesures acoustiques des vortex.

 

Ø      Terre

·         Michel CAMPILLO, Ludovic MARGERIN (LGIT-Grenoble)

·         Jean-Paul MONTAGNER, Jean-Pierre VILOTTE (IPGP Paris)

·         Dominique GIBERT (Géosciences Rennes)

·         Bart VAN TIGGELEN (LPMMC-Grenoble)

·        Contacts internationaux : Bernard CHOUET (San Francisco), George PAPANICOLAOU (Stanford), Roel SNIEDER (Colorado School of Mines)

 

Après chaque tremblement de Terre ou explosion nucléaire, les sismomètres placés à la surface du globe, enregistrent la propagation des ondes élastiques à travers le globe. Jusqu'à  présent, l'attention des sismologues a été focalisée sur l'interprétation des temps d'arrivées à l'aide de la théorie des rais. En réalité cette approche n'explique qu'une très faible partie des données, car les observations montrent l'existence “ ubiquiste ” d'ondes diffusées par la structure 3D de la Terre. Elles peuvent trouver leur origine dans différentes couches de la Terre: la croûte, le manteau et même le noyau. Le grand avantage de la sismologie est de pouvoir séparer temporellement et spatialement l'observation des différentes ondes et ainsi de sélectionner un phénomène physique spécifique.

 

Le régime mésoscopique des ondes classiques est borné en bas par le temps de libre parcours moyen et borné en haut par le temps d'absorption.  Quant à la croûte terrestre, on trouve un temps de libre parcours moyen de 10 s. Le temps caractéristique de la coda sismique est typiquement de 100 secondes ou même plus.  La mésoscopie des ondes sismiques – à l’échelle du kilomètre et au-delà – s’annonce ……

 

Aki et Chouet (J. Geoph. Res. 74, 615, 1969; J. Geoph. Res. 80, 3322, 1975) sont les premiers à avoir reconnu l’existence d’ondes diffractées aléatoirement en sismologie pour des fréquences comprises entre 1 et 20 Hz. L’énergie élastique mesurée après un tremblement de Terre décroît exponentiellement avec le temps. La constante de temps de cette décroissance est décrite par un facteur de qualité, appelé Coda Q, qui est un paramètre régional, et indépendant de la distance du tremblement de Terre et de sa magnitude. Depuis, une controverse a démarré sur l’interprétation de Coda Q : a-t-il pour origine l’absorption, la diffusion simple ou la diffusion multiple ? La modélisation a consisté à essayer de comprendre les ondes de coda en résolvant l’équation du transfert radiatif (Hoshiba, Phys. of Earth and Planetary Interiors 67, 123, 1991). Plus récemment,  grâce à une collaboration grenobloise soutenue par le GDR PRIMA, un nouveau mécanisme a été proposé afin d’expliquer la décroissance (Margerin  et al. Geoph. J Int. 134, 596, 1998 ; Geophys. J. Int. 138(2), 343 1999).  Cette interprétation ouvre la voie pour des expériences de rétro-diffusion cohérente en vraie grandeur. Une étude théorique a montré que la rétro-diffusion cohérente des ondes élastiques en champ proche ne peut être observée que dans un rayon inférieur à une longueur d'onde de la source. L'enjeu de cette expérience mésoscopique est de confirmer le rôle de la diffusion multiple en sismologie et de mesurer directement l'hétérogénéité de la croûte, quantifiée par son libre parcours moyen.

 

L’approche mésoscopique s’applique également à la tomographie globale de le terre. Récemment, J. Vidale (UCLA) et ses collaborateurs ont pu mettre en evidence des signaux diffus précédant ou suivant les arrivées balistiques   à des fréquences > 1 Hz. Afin de mieux comprendre ces phénomènes de diffusion dans la Terre, on s’intéresse  actuellement à l'équation de transfert radiatif élastique en tenant compte de la géométrie  sphérique  et de la courbure des rais en profondeur.

 

De même, des enregistrements (aux Etats-Unis) de 2 explosions nucléaires russes ayant eu lieu au même endroit à 3 ans d’intervalle sont disponibles.  Une idée est de comparer la fonction d'inter corrélation entre les deux signaux avec celle prédite par l'approche mésoscopique dans l'hypothèse ou le noyau est un système désordonné en rotation lente par rapport à la Terre. L'enjeu important de cette étude est la confirmation/infirmation de l'hypothèse de rotation différentielle de la graine.

 

L’Equipartition des Ondes Elastiques

 

L’équipartition des ondes polarisées est un concept fondamental dans la théorie du transfert radiatif. Elle est connue depuis le travail de Weaver en 1982 (J. Acoust. Soc. Am. 71, 1608, 1982 ) et Papanicolaou (Bull. Seis. Soc. Am. 86, 1107, 1996). Récemment, elle a été confirmée spectaculairement en sismologie. On a montré que le rapport des énergies de cisaillement (S) et de compression (P) se stabilise dans la coda du signal sismique (Shapiro et al. Bull. Seis. Soc. Am. 90, 655, 2000 ; Hennino et al., Phys. Rev. Lett., 89, 2001). Cette observation est une signature de l’équipartition, confirmant pour la première fois d’une façon  directe, la prédominance de la diffusion multiple des ondes sismiques dans la croûte.  (http://focus.aps.org/open/st17.html). Depuis, une question pertinente a été posée: ce phénomène est-il mesurable partout et notamment  en France?

 


3.    Imagerie et Problème Inverse

 

L’imagerie est sans doute l’application la plus directe et la plus réclamée de la propagation ondulatoire. En France, elle est représentée  par une communauté très vaste et très diverse. Le GDR IMCODE à lui seul n’a pas la prétention ni la capacité de la coordonner entièrement, mais il veut créer un espace de rencontre entre la physique des ondes en milieu complexe et les domaines d’applications, tels que la médecine, la prospection pétrolière, et la météorologie. Les noms de quelques animateurs sont spécifiés ci-dessous. Cette liste n’est pas exhaustive et nous souhaitons que beaucoup plus de personnalités extérieures au GDR IMCODE  y participent.

 

Imagerie optique

 

·         Claude BOCCARA (LOP-ESPCI Paris)

·        Dr. Gilbert JARRY (Hôpital Henri Mondor , Créteil)

·        Dr. François AMBLARD (LNP ESPCI Paris)

·        Pierre CHAVEL (IOTA-Orsay)

·        Philippe Réfrégier (Institut Fresnel Marseille)

 

Le domaine de l’imagerie optique connaît aujourd’hui un fort regain d’activité, en s’appuyant sur de nouveaux outils (lasers femtosecondes, caméras ultra-rapides), en faisant appel à de nouveaux concepts (gestion du complexe, invariance et symétrie…), ou en revisitant des principes déjà connus (interférométrie). Notons également que, pour le physicien, l’image est associée à un ensemble de mesures locales révélatrices d’une distribution de propriétés physiques (absorption, texture, topographie, etc...). Les efforts portent actuellement sur l’imagerie de milieux et structures complexes. On souhaite par exemple comprendre comment la rugosité se transmet à travers un empilement de couches minces diélectriques, obtenir des images de reliefs à haute cadence, ou encore mesurer les propriétés d’absorption et de diffusion dans la profondeur des tissus biologiques pour aider au diagnostic médical.

 

Compte tenu de la faible valeur du libre parcours moyen des photons dans les tissus biologiques ( environ 50 microns ), il n’est pas possible d’obtenir des images par sélection des photons balistiques à des profondeurs qui dépassent le mm. Dans le cas de la détection des tumeurs du sein par exemple, même en ajoutant une sélection temporelle, il n’est pas encore possible de mettre en évidence des tumeurs dont la taille est inférieure au cm. Une nouvelle approche consiste à contourner certaines de ces difficultés en « marquant » la trajectoire des photons par des ultrasons focalisés. Le but recherché est de révéler des contrastes optiques (absorption, diffusion) dans la profondeur des tissus (quelques cm) avec une résolution spatiale de l’ordre du millimètre. Cette détection utilise le couplage entre une onde ultrasonore qui est en régime de diffusion simple et des photons qui subissent une diffusion multiple d’ordre très élevé.  Cette méthode paraît être aujourd’hui la seule capable d’offrir dans des délais raisonnables une résolution de l’ordre du mm à une profondeur de plusieurs cm. De plus, s’appuyant sur l’échographie ultrasonore, il est possible de faire apparaître l’optique comme un diagnostic complémentaire de cette méthode.

 

Imagerie  ultrasonore

 

·         Mathias FINK, Mickael TANTER (LOA ESPCI Paris)

·         Pascal LAUGIER (LIP Paris)

 

Aujourd’hui l’échographie ultrasonore est couramment employée dans les hôpitaux. Pourtant il reste encore de nombreux défis à relever dans le domaine de l’imagerie par ultrasons : imagerie trans crânienne du cerveau, l’élastographie impulsionnelle et les récents développements des techniques nonlinéaires.

 

Ø      imagerie trans crânienne du cerveau

 

Dans le domaine de l’imagerie ultrasonore médicale, on cherche à développer un premier échographe haute résolution du cerveau. Ce système permettra d’avoir accès pour la première fois à une imagerie fonctionnelle « temps réel » du cerveau (~50 images.s-1) et plus particulièrement aux écoulements sanguins. Un tel système était jusqu’à ce jour inenvisageable en raison de la forte dégradation introduite par la paroi crânienne sur les faisceaux ultrasonores. Il a été démontré au cours des 5 dernières années qu’il était possible de corriger cette dégradation et une technique a été proposée permettant de calculer les signaux à émettre sur chacun des éléments de la barrette échographique pour assurer une qualité de focalisation optimale à travers le crâne. Il a ainsi été montré que ces filtres temporels adaptés à chaque transducteur permettent d’obtenir une qualité de focalisation comparable à celle obtenue en l’absence de crâne.

 

Ø      Elastographie du corps humain

 

L’élastographie ultrasonore dérive de l’échographie et délivre l’image de l’élasticité d’un milieu soumis à une contrainte mécanique. Appliquée au domaine médical l’élastographie est adaptée à la détection des tissus pathologiques d’élasticité différente de celle des tissus sains environnants. Outre la modélisation du comportement nonlinéaire des tissus, les principaux résultats obtenus sont : le développement d’un imageur ultrarapide pour l’élastographie impulsionnelle, le développement d’une méthode d’estimation axiale de la déformation, l’intégration d’un module d’élastographie dans la thérapie par ultrason de la prostate.


Les axes futurs sont : l’imagerie temps réel de l’élasticité, l’estimation des composantes transverses, l’imagerie et la représentation 3D des caractéristiques, les problèmes inverses en élastographie, l’imagerie quantitative du module d’Young, de l’anisotropie, de la viscosité et des non linéarités.

Ø      Imagerie paramétrique ultrasonore de contraste

Les produits de contraste ultrasonore (PCUS) ont significativement étendu le champ d’application potentielle de l’imagerie ultrasonore. L’objectif est maintenant de développer les bases physiques et technologiques nécessaires à la réalisation d’une imagerie de contraste fonctionnelle quantitative et d’évaluer leur apport aux nombreuses problématiques cliniques. Dans ce but les axes de recherche à développer sont : la modélisation de la propagation non linéaire, l’évaluation des paramètres physiques des PCUS, le développement d’une imagerie spécifique et l’évaluation clinique. La spécificité de l’imagerie du petit animal sera également abordée.

Imagerie sismique

·         Anne Paul (LGIT, Grenoble)

·         Jean-Paul MONTAGNER (IPGP Paris)

 

Il n'est pas exagéré d'affirmer que les découvertes majeures en géophysique des 2 dernières décennies n'ont été possibles que grâce au développements des technologies numériques. Pour ne citer que quelques exemples, l'imagerie sismique (Van der Hilst et al. 1997), la modélisation numérique de la dynamo terrestre ou encore la compréhension des phénomènes de convection n'auraient pas vu le jour sans la mise à disposition des chercheurs de  moyens de calculs performants et peu coûteux. Notamment, le développement de grappes de PC et de langages de programmation  parallèles performants tels MPI  a permis d'augmenter de façon impressionnante le rapport puissance/prix des ordinateurs.

 

Afin d'illustrer concrètement le besoin croissant en moyen de calculs, prenons l'exemple des modèles tomographiques globaux  haute-résolution. Malgré leur intérêt et leur importance pour la géophysique, il faut souligner que la plupart de ces modèles se basent uniquement sur l'interprétation de temps d'arrivées de phases sismiques bien identifiées en terme de théorie des rais. Or des études théoriques récentes ont montré que la résolution spatiale des modèles sismologiques ne pourra être améliorée qu'en incorporant les phénomènes de diffraction-diffusion qui sont négligés dans les méthodes asymptotiques haute-fréquence. De plus, l'interprétation des sismogrammes restreints aux temps d'arrivées néglige complètement  l'information potentiellement contenue dans l'amplitude et la forme des ondes. Bien sûr, le calcul d'amplitude est au moins un ordre de grandeur plus difficile que le calcul de temps de propagation, car les amplitudes sont extrêmement sensibles aux effets de focalisation / défocalisation, aux effets de réflexion/transmission et à la diffusion par la topographie  et  les hétérogénéités. Cependant l'émergence de nouvelles méthodes numériques et de nouvelles méthodes asymptotiques combinées à la puissance de calcul des grappes de PC actuels  laisse entrevoir la possibilité d'une modélisation  spatio-temporelle complète des sismogrammes sur une gamme de fréquence couvrant la totalité du spectre sismique (0.001 a 10 Hz). Grâce à la mise en place au niveau mondial de bases  données sismologiques large-bande de haute qualité,  désormais disponibles en ligne sur Internet, on peut imaginer l'apparition de nouvelles méthodes d'imagerie comme la tomographie de formes d'ondes ou la tomographie d'ondes diffuses qui devraient repousser les limites actuelles de l'imagerie géophysique.

 

Acoustique sous-marine :

 

·         Philippe ROUX (LEGI Grenoble)

·         Antoine FOLACCI (Université de Corse)

·         Julien DE ROSNY, Arnaud DERODE (LOA Paris)

 

La mer présente une grande variété de milieux de propagation pour les ondes acoustiques. Généralement, ces milieux de propagation sont très complexes. Par exemple,  il existe des effets  de diffusion par les fonds rugueux et par les vagues à la surface. Les ondes peuvent être encore multi-diffusées en volume par des bancs de poissons. Il existe également des effets de guidage d’onde dans les chenaux marin. Mais ce n’est pas tout, la mer est elle-même une source de bruits acoustique. Par exemple, le déferlement des vagues ou encore les bancs de crevette sont des sources intenses de bruits acoustiques.  Habituellement, en acoustique sous-marine, on construit des modèles de propagation simples qui essaye de s’affranchissent autant que possible de tous ces effets « parasites ». Dans le cadre de ce GDR, l’approche de l’acoustique sous-marine est tout autre :  on cherche à exploiter au maximum ces effets dans le but de pouvoir fabriquer des systèmes de communication robustes, des systèmes d’imageries avec par exemple la caractérisation d’un banc de poissons multi-diffuseur, etc. Les applications possibles sont sans limites. Les recherches sont effectuées à partir de signaux acquis en site, à partir des simulations numériques ou encore  à partir d’expérience faites dans des cuves en laboratoire. Ces expériences consistent à faire propager des ondes ultrasonores dans des reconstitutions à échelle réduite d’environnements marins.

 

Télédétection spatiale par imagerie hyperspectrale

 

·        Sylvain DOUTE (LPG Grenoble)

 

L’équipe “ Spectroscopie des surfaces et des grains du système solaire ” du Laboratoire de Planétologie de Grenoble a conçu et développé un système original de spectrophoto-goniométrie. Il s’agit de mesurer en laboratoire la fonction de réflectance et de polarisation bidirectionnelle caractérisant des surfaces de glaces ou d’autres matériaux de l’UV à l’IR proche (0.3 – 5.0 mm). Le premier objectif de ce dispositif expérimental est de fournir des spectres de référence pour l’analyse spectroscopique et statistique des images hyperspectrales. Ce dispositif répond aussi à un deuxième objectif : étudier en détails la physique du transfert de la lumière dans les milieux denses et complexes que nous étudions. De nombreuses questions sans réponse se posent en effet à ce sujet :

§                                           Les modèles de transfert radiatif couramment utilisés traitent-ils bien les effets de proximité entre les diffuseurs ?

§                                           Comment extraire de façon précise des mesures en réflexion l’albédo de diffusion simple et l’indicatrice de diffusion de ces diffuseurs ?

§                                           Quels liens peut-on vraiment établir entre ces deux dernières quantités, la longueur d’onde, les indices optiques, et les caractéristiques géométriques des grains ?

§                                           Quelle est l’influence de la rugosité macroscopique et de l’existence d’éventuelles inhomogénéités latérales sur la réflectance bidirectionnelle de la surface mesurée ?

On a élaboré dans ses grandes lignes une méthodologie expérimentale destinée à répondre aux problématiques que pose actuellement la modélisation du transfert radiatif en milieu dense et complexe. Il s’agit maintenant d’en étudier les aspects techniques et expérimentaux et de la mettre en œuvre. On mesure la réflectance bidirectionnelle spectrale de tous ces échantillons en faisant varier systématiquement de façon indépendante les différents paramètres déterminants du problème. En fonction des résultats, la physique du transfert radiatif et son traitement numérique devront être revus pour améliorer le réalisme des algorithmes dont nous nous servons pour analyser les données spatiales.

 

Caractérisation des Pigments

§         Mady ELIAS, Michel MENU (Restauration des Musées de France- Paris)

La couleur d'une peinture est principalement due à la diffusion de la lumière incidente par les pigments de la couche picturale ainsi qu'à sa réflexion sur la surface. Cette couleur change à nouveau lorsqu'un vernis recouvre la peinture. La couleur de l'œuvre d'art est décrite par des théories physiques de la diffusion lumineuse de plus en plus sophistiquées (méthodes à 2 flux, à 4 flux, à N flux, …), en tenant compte aussi de la réflexion spéculaire.

Ainsi, l'influence d'une couche de vernis (couche partiellement absorbante mais non diffusante) déposée sur une surface diffusante (couche picturale) ou réfléchissante (fond d'or) peut être étudiée. Les modifications du spectre de réflectance (BRDF) peuvent être explicitées théoriquement et permettront de mettre en œuvre le traitement distinct des phénomènes de diffusion et de réflexion. Des simulations numériques ont été confrontées  aux résultats expérimentaux, obtenus grâce à un gonio-spectro-photomètre à fibres optiques, sur des échantillons de peintures et de fonds d'or avec et sans présence de vernis. L'influence des propriétés du vernis (indice, épaisseur, coefficient d'absorption) ainsi que du support (spectre de réflectance, couleur initiale de la couche picturale, état de surface du fond métallique) peut être détaillé.

Cette étude originale profitera sans aucun doute du soutien du GDR IMCODE, dans lequel il existe beaucoup d’expérience et savoir-faire sur l’imagerie en milieu diffus dans d’autres circonstances.


4.    Nonlinéarité, Gain et Désordre

 

Diffusion multiple en présence de gain « l’effet laser aléatoire »

 

§         Patrick SEBBAH, Christian VANNESTE (LPMC-Nice)

§         Pierre Degond, Xavier Antoine, Christophe BESSE (MIP Toulouse)

§         . Bourgeade (CEA Toulouse)

§         Brigitte Bidégaray (LMC Grenoble)

§         Contact international : Prof Costas SOUKOULIS (Université de Iowa), Prof. A. LAGENDIJK (Université de Twente, Pays-Bas).

 

Les études expérimentales et numériques récentes ont montré que le gain peut agir de deux façons sur la diffusion de la lumière en milieu aléatoire : on s’attend à un effet d’amplification de l’émission spontanée dans des milieux diffusants pas trop désordonnés et à un effet laser dans des milieux plus désordonnés dans lesquels l’apparition de boucles des chemins optiques sont susceptibles de favoriser le régime d’oscillation laser. En particulier, dans le cas extrême de fort désordre correspondant au régime de localisation forte, on a pu montrer que les oscillateurs sont fournis par les modes localisés du système désordonné de manière identique aux modes d’une cavité laser traditionnelle (C. Vanneste and P. Sebbah, “Selective excitation of localized modes in active random media”, Phys. Rev. Lett., 87, 183903, 2001). Un problème important se pose alors lorsqu’on examine de près les résultats expérimentaux rapportant un effet laser : par des mesures annexes destinées à mesurer le libre parcours moyen des échantillons utilisés, on s’aperçoit que ces derniers ne sont pas encore en régime de localisation mais en régime de diffusion. D’ailleurs dans ces échantillons, on observe d’abord l’effet de rétrécissement de la courbe de gain avant les raies laser qui apparaissent pour des puissances de pompage plus élevées. La question est donc de comprendre la nature des effets de contre réaction nécessaire à l’oscillation laser dans ces systèmes a priori encore trop peu diffusants.

 

D’autre part, l’équipe de Pierre DEGOND à Toulouse s’intéresse depuis plusieurs années à la résolution des équations de Maxwell-Bloch, pour modéliser au niveau microscopique l’interaction entre la matière et un faisceau laser intense. Ce travail s’inscrit dans le cadre d’une collaboration avec le CEA-Cesta. Un code mono et bidimensionnel volumes finis de résolution des équations de Maxwell couplées aux équations de Bloch comprenant un nombre arbitraire de niveaux a été développé (thèse de D. Reignier, financée par le CEA, soutenue en 2000). Dans un premier temps, des matériaux isotropes à deux ou trois niveaux ont été considérés et des cas tests classiques (doublage de fréquence, effet Raman, transferts de cohérences) ont été réalisés.

 

 

Diffusion multiple en présence de  nonlinéarité et instabilités

 

§         Sergey SKIPETROV, Roger MAYNARD (LPMMC Grenoble)

§         Patrick SEBBAH, Christian VANNESTE (LPMC-Nice)

§         Claude BOCCARA (LOP ESPCI Paris)

 

Le mariage du désordre et de la non-linéarité pose de beaux problèmes autant en physique fondamentale qu’en physique appliquée. On sait que dans les milieux fortement désordonnés tels que les suspensions colloïdales ( le lait par exemple…) il se produit de fortes fluctuations de l’intensité des ondes lumineuses multiplement diffusées appelées tavelures ou « speckle » que l’on décrit par des fonctions de corrélations en fonction de paramètres variés comme le temps, les positions  ou encore la fréquence des ondes. Les analyses de ces comportements en régime linéaire, sont toutes fondées sur le comportement diffus des intensités moyennées sur le désordre, des ondes régi par une constante de diffusion. A l’opposé de cette situation - fort désordre et linéarité -  on sait que, en optique non linéaire, il se  produit au-delà d’un certain seuil en intensité, des instabilités dans les systèmes homogènes comme par exemple la filamentation, dont les précurseurs sont par exemple le phénomène bien connu d’autofocalisation.  Ces instabilités ont pour origine les effets de feedback, typiques des interactions non linéaires. Quand on marie les deux ingrédients, on peut s’attendre à une richesse de situations puisque par exemple le phénomène d’autofocalisation peut être contrarié par la diffusion.  Dans ce contexte, deux questions simples se posent:

 

-         est-ce que le comportement diffusif des corrélations des intensités subsiste en régime de faible non-linéarité ?

-         existe-t-il un seuil d’instabilité à faible non-linéarité pour la propagation des ondes en milieu diffus ?

 

On a trouvé qu’un seuil d’instabilité existe et tend vers 0 lorsque la taille du système étudié est suffisamment grande. L’importance de ce résultat réside dans le fait que tout système désordonné, même avec des interactions non linéaires faibles,  ne peut plus être décrit par une théorie de transfert radiatif lorsque sa taille est grande. Cela ouvre de nouvelles perpectives sur la question très controversée de l’origine de l’irréversibilité dans les systèmes chaotiques et ondulatoires.

 

Aucune expérience n’a à ce jour confirmé l’existence de cette instabilité de speckle, malgré des efforts expérimentaux à Nice et à Paris. Deux pistes sont proposées : (1) l’utilisation des composites polymer/cristal liquide, qui présentent une forte non linéarité de type Kerr réorientationnel ; (2) l’utilisation de l’effet photo-réfractif dans le niobate de lithium, dans une géométrie guide d’onde pour augmenter l’efficacité de la non linéarité. Le choix de ces deux types de réalisation est dicté par la difficulté de trouver un milieu bien contrôlé, fortement diffusif et fortement non linéaire.

 

Non-linéarités acoustiques

 

§         François COULOUVRAT (LMM Paris)

§         Bernard CASTAGNEDE, Vitali GUSEV (LAUM, Le Mans)

§         Daniel ROYER et Mathias FINK (LOA Paris)

 

Dans les années à venir, les effets non linéaires sont promis à être de plus en plus utilisés dans le domaine de l'imagerie acoustique ultrasonore. En effet, de nombreux milieux possèdent des caractéristiques non linéaires très spécifiques de propriétés fines qui échappent aux méthodes linéaires : bulles, fissures, défauts,... Ces méthodes d'imagerie devraient donc trouver un champ d'application très vaste, de l'imagerie médicale (imagerie paramétrique, agents de contraste) au contrôle non-destructif des matériaux (fissures, délaminages, défauts d'adhésion ou de soudure) en passant par la propagation acoustique aérienne ou sous-marine en milieu turbulent. Dans ce but, les modèles théoriques et numériques restent à développer et à affiner pour mieux appréhender l'interaction d'ondes acoustiques intenses avec ces milieux aux propriétés spécifiques (génération d'harmoniques, formation d'ondes de choc, diffraction et focalisation).

 

Solitons en milieu aléatoire

 

§         Josselin Garnier (LSP –Toulouse)

§         Pierre DEGOND (MIP –Toulouse)

§         Nicolas FRESSENGEAS (Supélec/LMOPS Metz)

§         Contacts internationaux : F. Kh. Abdullaev (Ouzbek Academy of Sciences), J.-F. Fouque (North Carolina State University, USA), A. Nachbin (Instituto de Matemática Pura e Aplicada, Brazil),

G. Papanicolaou (Standord University, USA).

 


Un effort considérable ces dernières années s'est concentré sur l'étude de la compétition entre des effets aléatoires (type localisation) et non-linéaires (type soliton). On a étudié la propagation de solitons à travers des systèmes non-linéaires de type Schrödinger aléatoirement perturbés. Ces systèmes modélisent la propagation d'impulsions courtes à travers des milieux du type fibre optique réelle (c'est-à-dire avec des défauts modélisés par des processus aléatoires). A l'aide d'une méthode d' « inverse scattering », il a été mis en évidence la robustesse du soliton vis-à-vis de perturbations aléatoires. On a pu décrire plusieurs régimes de stabilité possibles selon le type de perturbations et les caractéristiques du soliton incident.

 

Il existe d'autres problèmes liés à la propagation dans des fibres optiques. Avec des ingénieurs d'Alcatel, un système d'équations de Schrödinger non-linéaires a été  étudié, couplé à des coefficients variables et nous avons calculé les exposants de Lyapunov qui caractérisent les gains des instabilités modulation elles qui peuvent se développer.

 

Une collaboration effective existe avec les physiciens du CEA-CESTA dans le domaine de l'optique non-linéaire et aléatoire. Il s'agit de trouver et de caractériser des méthodes permettant de contrôler le profil spatial et temporel de faisceaux lasers partiellement cohérents, et d'étudier l'impact de ces techniques sur les différents éléments d'une chaîne laser de puissance (propagation, imagerie, amplification et conversion de fréquence).

 

Exaltations du champ électromagnétique

§         Patrice GADENNE (LMOV –Versailles)

§         Contact international : Vladimir SHALAEV (Purdue University, USA)

On peut visualiser les pics d'exaltation de champ localisés sur des surfaces granulaires et observer des facteurs d'exaltation en intensité de deux ordres de grandeur. Le microscope utilisé est développé au LOP/ESPCI (Paris) sur un microscope à force atomique, à pointe en Tungstène, fonctionnant en mode ''tapping'' ce qui a permis d'atteindre des résolutions latérales de l'ordre de 10 nm. Ce montage permet également une étude spectroscopique locale sur des échelles beaucoup plus petites que la longueur d'onde.

Une exploitation classique des propriétés d'exaltation des couches granulaires métalliques concerne l'étude de la diffusion Raman (« Surface Enhanced Raman Scattering, SERS) de monocouches moléculaires déposées sur des substrats préalablement recouverts d'une couche métallique semi-continue. Cette technique permet d'accéder à des informations initialement noyées dans le signal Raman du matériau massif, mais peut également être utilisée en champ lointain comme sonde des exaltations elles-mêmes. On constate une augmentation très sensible du signal Raman pour le substrat recouvert d'une épaisseur massique d'or égale à 5nm, qui correspond pratiquement au seuil de percolation pc ( légèrement en dessous). De même que la diffusion Raman est exaltée par la présence des "hot spots" sur une surface granulaire d'or près du seuil de percolation, la génération de second harmonique, qui est un processus non linéaire d'ordre deux, est exaltée par ce type de surface.


Les perspectives générales consistent à optimiser des propriétés non-linéaires locales de ces matériaux. Les exaltations locales du champ électromagnétique sur les structures métalliques de percolation sont un très bon outil pour sonder des processus non-linéaires (SHG, SERS, fluorescence à deux photons…) à l'échelle de quelques nanomètres.

 

5.       Nouveaux Outils et Applications

Parmi les différentes thématiques ci-dessus certains acquis conceptuels ont commencé à diffuser en dehors de leur communauté d’origine, notamment sous l’impulsion du GDR PRIMA. Cette diffusion des connaissances fait naître de nouveaux outils. Par exemple, la rétrodiffusion cohérente, venant de l’optique, a été appliquée à l’acoustique ultrasonore et sert à présent comme outil de base dans la caractérisation acoustique de milieux hétérogènes. Il faut poursuivre et renforcer cette évolution bénéfique pour tous. Une partie importante de la mission du GDR IMCODE sera consacrée à la transmission transversale des connaissances et des méthodes en insistant moins sur leur aspect thématique que sur leur intérêt général.  A cet égard, il sera important de faire participer des scientifiques extérieurs au GDR IMCODE.

 

On peut dès maintenant espérer des transferts de compétence  dans les domaines suivants :

 

§         D(A)WS, « Diffuse (Acoustic)  Wave Spectroscopy », découverte en optique mésoscopique, cette technique a été appliquée dans d’autres domaines comme l’acoustique et la matière molle. Des spéculations existent quant à son application à la sismologie.

§         MRT, « Miroir à Retournement Temporel » , est  un outil en acoustique ultrasonore depuis une dizaine d’années. On s’intéressera aux applications éventuelles dans le domaine des télécommunications par micro-ondes en milieux réverbérants.

§         Des outils numériques, tels que la méthode de Monte-Carlo pour le transfert radiatif, ainsi que des schémas de résolution numérique de l’équation des ondes (électromagnétique, élastique, acoustique, quantique, Maxwell-Bloch, matériaux linéaires ou non, périodiques ou non, désordonnés ou non) peuvent servir à toutes les communautés.

§         Les concepts de la physique mésoscopique, tels que les tavelures, les corrélations, la conductance (formule de Landauer), la localisation faible et forte, déphasage et décohérence, les fluctuations de longue portée, ne sont pas encore établis dans toutes les communautés.