Ondes spiralées, singularités de phase confinées et densité de spin acoustique émergeant lors de la diffusion d’une onde plane évanescente par un diffuseur résonant isolé

Abstract

Les travaux de thèse reposent sur l'étude physique de la diffusion résonante d’une onde plane évanescente acoustique par un objet sphérique isolé dans une matrice fluide.Lorsqu'une onde plane incidente est diffusée par un objet de section circulaire et de taille comparable à sa longueur d'onde, des ondes se propageant autour de la circonférence de ce dernier sont engendrées. Si cette onde incidente est évanescente, son asymétrie en amplitude favorise l'excitation d'ondes circulaires par rapport à celles qui parcourent la surface de l'objet en sens inverse.Un champ d'ondes circonférentielles qui se propagent angulairement se crée alors à l'intérieur de l'objet. L'interférence entre ces ondes fait apparaître des lignes de singularité de phase où l'amplitude du champ s'annule, et dont le nombre est étroitement lié à l'ordre du mode de diffusion résonant.Dans le milieu extérieur, le champ de pression diffusé présente une structure en spirale, transportant l'énergie de manière omnidirectionnelle.Sur la base des analyses théoriques effectuées, un dispositif a été mis en place pour explorer de manière expérimentale la diffusion acoustique d'une onde plane évanescente par une gouttelette sub-millimétrique. Cette onde est engendrée par la réfraction sur-critique d'un faisceau plan à l'interface entre deux fluides non miscibles.Grâce à la précision du dispositif de mesure, les singularités de phase présentes à l'intérieur de l'objet ont pu être détectées et les cartographies du champ de pression résultant de la diffusion ont été comparées avec succès aux prédictions théoriques.Dans ce système, le flux d'énergie circule autour des singularités de phase et possède également une rotation à l'échelle locale. Ces effets sont liés à des quantités physiques non usuelles contribuant au moment angulaire du champ.En particulier, l'observation théorique et expérimentale d'une densité de moment angulaire de spin acoustique à l'intérieur d'une gouttelette placée dans un champ évanescent a pour la première fois été réalisée. Cette quantité provient du déplacement elliptique des particules du milieu au passage de l'onde plane évanescente et est proportionnelle au couple de radiation acoustique exercé sur des objets plus petits que la longueur d'onde incidente.Les résultats obtenus pourraient ainsi avoir des implications importantes quant à la possibilité de mettre en translation et/ou en rotation, sans contact, des particules placées dans un champ évanescent, et pourraient également être exploités dans le cadre de l'imagerie acoustique.