Des scientifiques de l’UArizona étudient de nouvelles frontières du son avec un centre de 30 millions de dollars

Par Emily Dieckman, Faculté d’ingénierie

7 septembre 2023

La National Science Foundation a accordé à l’Université de l’Arizona 30 millions de dollars sur cinq ans pour créer un nouveau centre scientifique et technologique NSF. Le New Frontiers of Sound Science and Technology Center, qui bénéficie d’une option de financement supplémentaire de 30 millions de dollars au cours des cinq prochaines années, rassemblera des chercheurs travaillant dans le domaine de l’acoustique topologique.

Grâce à l’acoustique topologique, les chercheurs exploitent les propriétés du son de manière à améliorer considérablement l’informatique, les télécommunications et la détection. Les applications pourraient inclure l’atteinte de vitesses de calcul de type quantique, la réduction de la consommation d’énergie des smartphones et la détection des changements dans les infrastructures vieillissantes ou dans l’environnement naturel dus au changement climatique.

« Nous connaissons tous des technologies comme le haut-parleur ou le microphone, mais nous utilisons également le son pour détecter des environnements, comme avec l’imagerie médicale par sonar et par ultrasons, ainsi que pour la transmission et le traitement de données au quotidien dans votre smartphone », a déclaré le directeur du centre et directeur du projet. enquêteur Pierre Deymier, professeur de science et d’ingénierie des matériaux au College of Engineering de l’UArizona. « Cependant, la révolution tranquille qui fait progresser la science et la technologie solides est en marche. Et c’est là qu’intervient le nouveau centre. »

Les co-chercheurs principaux du projet sont Sara Chavarriadoyen adjoint du développement de la recherche à l’UArizona Collège d’éducation et directeur adjoint de l’UArizona Centre d’apprentissage STEM; Chiara Daraio du California Institute of Technology ; Andrea Al du Advanced Science Research Center du City University of New York Graduate Center ; et Massimo Ruzzene de l’Université du Colorado à Boulder.

« La découverte scientifique est le moteur du progrès humain et est à la base de toutes les technologies dont nous bénéficions aujourd’hui », a déclaré Sethuraman Panchanathan, directeur de la NSF. « Les centres scientifiques et technologiques de la NSF permettent à nos scientifiques et ingénieurs les plus créatifs d’ouvrir de nouvelles perspectives en matière de recherche scientifique et de faire les découvertes qui maintiendront les États-Unis à l’avant-garde des découvertes scientifiques.

Mapper le son dans l’espace

L’acoustique topologique est une manière sophistiquée d’observer le son qui mappe les ondes sonores dans un espace multidimensionnel abstrait, appelé espace de Hilbert, pour examiner leur géométrie. En examinant le son de cette manière, les scientifiques peuvent voir et manipuler les attributs des ondes sonores qui ne sont pas visibles en acoustique traditionnelle.

« L’acoustique topologique exploite les attributs des ondes sonores qui sont restés cachés jusqu’à présent », a déclaré Deymier, qui travaille au Département de science et d’ingénierie des matériaux depuis plus de 38 ans et est également membre de l’Institut BIO5 de l’université et professeur au Programme interdisciplinaire d’études supérieures en mathématiques appliquées. « Il exploite toute la puissance des ondes acoustiques. Cela permet soudainement d’obtenir des propriétés extraordinaires du son, telles que des ondes sonores qui imitent les ondes quantiques ou qui peuvent frapper une surface dure sans générer d’écho pouvant affecter un grand nombre de technologies. »

Pour étudier le son à travers une lentille acoustique topologique, les scientifiques forment un vecteur en utilisant tous les points de l’espace traversés par un son comme points graphiques sur l’espace de Hilbert. L’angle de ce vecteur d’amplitude est appelé phase géométrique et fournit une représentation visuelle de la géométrie du son.

Un exemple simplifié : si un son voyage dans une pièce et qu’un objet est déplacé, ajouté ou supprimé, l’effet sur le son peut ne pas être perceptible lorsqu’il est observé à travers le prisme de l’acoustique traditionnelle, comme la fréquence. Mais cela peut être constaté lorsqu’on l’examine avec l’acoustique topologique, car ces changements mineurs modifient la phase géométrique, c’est-à-dire qu’ils modifient la géométrie du son.

Il s’agit essentiellement de dynamiser le domaine de l’acoustique et de permettre aux chercheurs de voir des informations qu’ils ne pouvaient pas voir auparavant, comme s’ils mettaient une nouvelle paire de lunettes. Ou, mieux encore, une nouvelle paire d’aides auditives.

« Le domaine remarquable de l’acoustique topologique pourrait aider à relever certains des plus grands défis de la société, et le fait d’avoir notre corps professoral à l’avant-garde aidera à préparer nos étudiants à diriger la quatrième révolution industrielle », a déclaré le président de l’Université d’Arizona. Robert C.Robbins. « Avec ce centre, l’Université de l’Arizona se place à l’avant-garde d’un domaine en pleine croissance et développe une main-d’œuvre diversifiée possédant une expertise non seulement dans la recherche complexe, mais aussi dans la manière de l’appliquer pour construire un monde meilleur pour tous. »

Une gamme d’applications

Cette meilleure compréhension des propriétés acoustiques pourrait conduire à de nouvelles méthodes informatiques, à des télécommunications considérablement améliorées et à de nouvelles capacités de détection dans des domaines tels que les sciences de l’environnement et la médecine.

• Un analogue quantique Chercheurs en acoustique topologique pourrait prendre les milliards de points de données qu’ils cartographient à partir d’un champ sonore et les utiliser comme données d’entrée pour le calcul, créant ainsi un système qui contrôle ces points de données avec une extrêmement haute précision. L’informatique quantique exploite des relations uniques, telles que l’intrication, entre des unités de lumière appelées photons. Mais avec l’acoustique topologique, les chercheurs pourraient établir des relations analogues entre des unités sonores appelées phonons pour bénéficier des mêmes avantages.
• Télécommunications Les appareils tels que les téléphones portables contiennent des composants acoustiques qui convertissent les ondes électromagnétiques en ondes acoustiques puis en signaux électriques. Les ondes acoustiques étant plus petites, elles peuvent traverser de minuscules mécanismes de filtrage qui délivrent le signal correct. À des vitesses et des capacités plus élevées, comme la 5G et la 6G, davantage de mécanismes de filtrage sont nécessaires. Les ingénieurs et les scientifiques peuvent utiliser l’acoustique topologique pour créer des environnements où le son passe avec moins de perte d’énergie, en utilisant moins d’énergie pour augmenter la durée de vie de la batterie.
• Détection Alors que l’utilisation des ondes sonores dans les télécommunications implique d’empêcher autant que possible la diffusion des ondes sonores, la détection utilise cette diffusion à son avantage. La précision de l’acoustique topologique pourrait permettre une sensibilité inégalée dans la détection d’éléments tels que les maladies des tissus, les défauts des bâtiments, la sécheresse du sol dans les forêts sujettes aux incendies et le dégel du pergélisol dans l’Arctique.

Élément éducatif

Ceux qui n’ont pas entendu parler de l’acoustique topologique ne sont pas seuls. C’est l’une des principales raisons pour lesquelles le centre propose une formation et un enseignement dans plusieurs disciplines et à des personnes d’horizons différents. L’établissement d’un langage commun pour les experts dans des domaines allant de la science des matériaux et du génie électrique aux géosciences et aux mathématiques aidera le monde à bénéficier de ces travaux, affirment les personnes impliquées dans le projet.

Les chercheurs rédigeront un manuel et les ressources numériques qui l’accompagnent sur l’acoustique topologique et lanceront un programme d’expérience de recherche et de mentorat à l’échelle centrale pour offrir aux étudiants sous-représentés en STEM la possibilité d’accéder à une expérience de mentorat et de recherche en acoustique topologique.

« En tant que diplômé universitaire latino de première génération, il est important pour moi que le centre souligne à quel point nous sommes déterminés à inclure diverses sciences qui s’alignent sur l’AT (acoustique topologique) « Le résultat que nous attendons est que ce domaine d’AT soit celui qui représente les besoins du monde, car nous allons ont formé des étudiants d’horizons divers pour devenir les futurs scientifiques, ingénieurs, dirigeants et éducateurs de l’AT.

« Cette annonce monumentale démontre une fois de plus la position forte de l’Arizona, leader national en matière d’innovation technologique », a déclaré la gouverneure de l’Arizona, Katie Hobbs. « Nous considérons les plus grands défis de la société comme une opportunité d’innover, de résoudre des problèmes et de forger de nouveaux horizons, et nos universités publiques comme l’Université de l’Arizona jouent un rôle clé pour y parvenir. »

Les partenaires du centre incluent CalTech ; Université de la ville de New York ; Géorgie Tech ; Collège Spelman ; Université d’Alaska Fairbanks ; Université de Californie, Los Angeles ; l’Université du Colorado à Boulder ; et l’Université d’État de Wayne.

Les cadres supérieurs de l’UArizona sont

• Ivan Djordjevicprofesseur de génie électrique et informatique et sciences optiques
• Josué Levineprofesseur adjoint d’informatique
• Pierre Lucas, professeur de science et d’ingénierie des matériaux
• Marat Latypovprofesseur adjoint de science et génie des matériaux
• Krishna Muralidharanprofesseur agrégé de science et d’ingénierie des matériaux
• Victoire heureuseprofesseur adjoint de science et génie des matériaux
• Hao Zhangprofesseur et président du GIDP Statistique et Science des Données et professeur de mathématiques
• Susan Beckprofesseur de géosciences
• Tribikram Kunduprofesseur de génie civil et architectural et de mécanique du génie
• Samy Missoumprofesseur de génie aérospatial et mécanique
• Minkyu Kimprofesseur adjoint de science et génie des matériaux et de génie biomédical
• Vitesse Kielhbaughdirecteur du programme Health Sciences Design
• Régina Deil-Amendoyen associé aux affaires professorales et professeur d’enseignement supérieur au College of Education
• Corey Knoxchercheur associé au College of Education