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Acoustic and elastic metamaterials with extreme properties
No full textLa construction de métamatériaux acoustiques et élastiques extrêmes est considérée à la fois d'un point de vue numérique et expérimental. De larges bandes interdites phononiques, des relations de dispersion non monotones et une auxéticité extrême et accordable sont les objectifs spécifiques discutés dans le manuscrit. Dans le premier chapitre, nous introduisons les concepts des ondes et des métamatériaux, ainsi que les équations constitutives en élasticité et en acoustique. Dans le deuxième chapitre, nous décrivons la conception d'un cristal phononique 3D à bande interdite ultra large pour les ondes ultrasonores fonctionnant dans la gamme des MHz. Dans le troisième chapitre, nous concevons, fabriquons et testons expérimentalement un nouveau métamatériau acoustique présentant des interactions au troisième voisin pour façonner la première bande de la relation de dispersion suivant celle du roton dans les superfluides. Dans le quatrième chapitre, nous montrons qu'en utilisant une dislocation symétrique par réflection glissée dans un cristal 2D, une paire d'ondes guidées à large bande passante, monomodes et protégées par symétrie peut être créée dans la bande interdite. La phase de Zak 2D change par pi d'un côté de l'interface à l'autre, fournissant un invariant topologique protégé par la symétrie de réflexion glissée au point X de la zone de Brillouin. L'expérience correspondante a été réalisée avec des ondes acoustiques dans l'eau, à des fréquences ultrasonores, et démontre l'accord continu de la transmission en fonction du paramètre de glissement. Dans le dernier chapitre, nous montrons la conception d'un nouveau métamatériau mécanique hiérarchique microscopique présentant une large gamme de comportement auxétique (à la fois pour les cas quasi-2D et 3D). De plus, nous montrons que la structure peut présenter un morphing de forme.The construction of extreme acoustic and elastic metamaterials is considered from both the numerical and the experimental point of views. Large phononic bandgaps, non-monotonic dispersion relations, and extreme and tunable auxeticity are the specific goals discussed in the manuscript. In the first chapter, we introduce the concepts behind waves and metamaterials, and the constitutive equations in elasticity and acoustics. In the second chapter, we describe the design of an ultra wide bandgap 3D phononic crystal for ultrasonic waves operating in the MHz range. In the third chapter, we design, fabricate and test experimentally a novel acoustic metamaterial having third neighbor interactions to shape the first band of the dispersion relation like the roton in superfluids in the low dispersion band. In the fourth chapter, we show that using a glide-symmetric dislocation in a 2D crystal, a pair of wide-bandwidth, single-mode, and symmetry-protected guided waves can be created in the bulk band gap. The 2D Zak phase changes by pi from one side of the interface to the other, providing a topological invariant protected by glide-reflection symmetry at the X point of the Brillouin zone. The corresponding experiment was performed with acoustic waves in water, at ultrasonic frequencies, and demonstrates the continuous tuning of transmission as a function of the glide parameter. In the last chapter, we show the design of a novel microscopic hierarchical mechanical metamaterial exhibiting a wide range of auxetic behavior (for both the quasi-2D and the 3D cases). Furthermore, we show that the structure can exhibit shape morphing
Topological phononic crystal waveguides
No full textLes métamatériaux correspondent à l’ensemble des matériaux conçus par l’Homme présentant des propriétés, statiques ou dynamiques, inaccessibles aux matériaux naturels. Parmi eux, les cristaux phononiques consistent en un assemblage périodique de deux matériaux ou plus, et sont utilisés principalement pour la conception de dispositifs de filtrage et de guidage d’ondes. Au cours de la décennie 2010, un nouveau mécanisme permettant le guidage d’ondes a commencé à être utilisé. Il s’agit de la topologie, qui s’appuie sur la création d’une interface issue de la juxtaposition de deux cristaux présentant des propriétés de symétries chirales. Si ce mécanisme a prouvé son efficacité dans un grand nombre d’applications, il n’a en revanche jamais été utilisé dans un milieu fortement dispersif, ou pour un cristal présentant une géométrie n’étant pas similaire à la géométrie hexagonale du graphène. L’objectif de cette thèse est donc de concevoir de tels cristaux phononiques topologiques. Dans un premier temps, nous avons conçu un cristal phononique présentant un comportement topologique pour des ondes de surface sur l’eau en reprenant une géométrie présentant un comportement topologique pour des ondes acoustiques guidées dans l’air. Cette similarité est permise par la forme des équations régissant ces deux domaines, ce qui nous permet de transposer des comportements topologiques d’un domaine physique à un autre. Nous avons ensuite conçu un cristal phononique topologique ne reposant pas sur la géométrie du graphène, toujours pour des ondes de surface dans l’eau. Cette géométrie permet la conception d’un dispositif séparateur d’ondes à trois voies. Si nous avons mis en évidence le comportement topologique de ce cristal, nous n’avons pas confirmé la possibilité de séparer une onde dans trois directions. En reprenant cette géométrie, mais pour des ondes acoustiques dans l’eau, nous avons mis cette fois en évidence la possibilité de séparer une onde dans trois directions. Cette observation ouvre la voie à la conception de nouveaux circuits de guidage d’onde.Metamaterials are materials designed by man with static or dynamic properties inaccessible to natural materials. Among them, phononic crystals consist of a periodic assembly of two or more materials, and are mainly used for the design of waveguiding and filtering devices. During the past decade, a new mechanism allowing waveguiding started to be used. It is based on topology, more precisely on the creation of an interface resulting from the juxtaposition of two crystals with chiral symmetry properties. While this mechanism has proven its effectiveness in a large number of applications, it has never been used in a highly dispersive medium, or for a crystal having a geometry not similar to that of graphene. The objective of this thesis is to design such topological phononic crystals. First, we designed a phononic crystal exhibiting topological behavior for surface water waves by using a geometry exhibiting the same topological behavior as for acoustic waves in air. This similarity is allowed by the form of the equations governing these two domains, which allows us to transpose topological behaviors from one physical domain to another. We then designed a topological phononic crystal that did not rely on the geometry of graphene, still for surface water waves. This geometry allows for the design of a three-way wave splitter device. While we have demonstrated the topological behavior of this crystal, we have not confirmed the possibility of splitting a wave in three directions. Using such a geometry, but for underwater acoustic waves, we highlighted the possibility of separating a wave in three directions. This observation paves the way for the design of new waveguiding circuits
Métamatériaux pour les plasmons de surface
No full textLe travail présenté dans cette thèse comporte différents attrayant sujetsde l'optique comme les métamatériaux, l’optique transformationnelle, lescristaux photoniques, la réfraction négative et les interactions thermoplasmoniques.Nous avons développé plusieurs métamatériaux pour les plasmons desurface basés sur l'optique de transformation. Tout d'abord, nous avonsdémontré théoriquement, numériquement et expérimentalement certainsdispositifs mettant en scène le phénomène d’invisibilité.Deuxièmement, nous avons démontré la réfraction négative des plasmonsde surface en utilisant le concept d'espace de pliage (space folding) pourdes lentilles plates et anisotropes et enfin avec seulement desmétamatériaux diélectriques. Additionnellement, nous avons démontréqu’un damier structuré de films d'or peut exhiber une transmission extraordinairesur toute la gamme de fréquences visible.Enfin, nous avons étudié un problème multiphysique en mixant l'optiqueet thermique et leurs effets induits. Nous avons pu montrer que joueravec l'amplitude d'une onde électromagnétique ou une impulsion, peutinduire un gradient de température et le contrôle parfait d’un tel dispositifthermo-plasmonique.The work which has been presented in this thesis includes differentappealing subjects of optics such as metamaterials, transformationaloptics, photonic crystals, negative refraction and thermo-plasmonicinteractions. In this manuscript we have developed several metamaterialsfor Surface Plasmon Polaritons based on the transformational optics.Firstly we have demonstrated theoretically, numerically andexperimentally some SPP cloaking devices. Secondly, we havedemonstrated SPP negative refraction using the concept of space foldingthen with some dielectric metamaterial, flat and anisotropic SPP lenses.Additionaly we have demonstrated that subwavelength checkerboardstructured thick gold films have demonstrated an extra-ordinarytransmission over the visble range of frequencies.Finally, we have investigated a general multiphysics problem to mix opticsand thermally induced effects. We have been able to show that playingwith the amplitude of an electromagnetic wave or a pulse, we can inducea gradient of temperature and control heat of a plasmonic device
Effective slowness surfaces for waves in anisotropic elastic composites
No full textInternational audienceThe problem of the homogeneization of the wave properties of periodic elastic composites at low frequencies or long wavelengths is a rather old one. With the recent interest in phononic crystals and acoustic metamaterials, however, it has become important to predict accurately the effective wave properties for arbitrary materials, lattice types, and structures. Our motivation is to devise formulas for the estimation of the effective phase and group velocities in periodic composites containing sharp discontinuities of material distribution within a unit cell.Basing on previous studies that used the plane wave expansion method, we constructed estimation formulas that are based on a variationalformulation that is easily implemented with finite element analysis. Our derivation is based on second-order perturbation theory, with the propagation direction dependent zero-order solution being a simple uniform displacement and the first-order correction resulting from material discontinuities. In practice, in order to obtain an effective slowness surface it is only necessary to solve one periodic boundary value problem per propagation direction. The method is hence numerically very efficient. The method is applied to sonic crystals (for pressure waves in fluids) and to phononic crystals (for elastic waves in solids). Formulas are obtained for all cases. Effective slowness surfaces are obtained and plotted. If a connected propagation matrix extends throughout the unit cell, it is usually found that the effective anisotropy is very small and is furthermore rather independent of the lattice type. If a solid skeleton is considered instead, the effective anisotropy can in contrast be quite large
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Full text linkWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
Propriétés mécaniques des métamatériaux auxétiques tridimensionnels
No full textLes structures et les matériaux poreux artificiels conçus de manière rationnelle, définissant des métamatériaux mécaniques, peuvent présenter des propriétés mécaniques contre-intuitives qui sont inaccessibles aux matériaux ordinaires. Parmi eux, les métamatériaux auxétiques ont été largement étudiés au cours des dernières décennies en raison de leur mode de déformation latérale unique. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'étude des constantes élastiques effectives (coefficient de Poisson effectif et module d'Young) des métamatériaux auxétiques 3D. Dans le premier chapitre, nous introduisons les concepts des métamatériaux mécaniques et le développement des auxétiques artificiels. Dans le deuxième chapitre, inspiré par la longitude et la latitude sur une sphère, une structure 3D présentant une auxéticité partielle est proposée et étudiée. Dans le troisième chapitre, l'instabilité directionnelle est introduite et utilisée pour améliorer l'auxéticité de la structure étudiée dans le chapitre qui précède. Ensuite, dans le quatrième chapitre, la structure proposée au chapitre 2 est utilisée pour concevoir une nouvelle structure 3D qui présente une auxéticité complète dans les trois directions principales et un comportement mécanique qui se divise en plusieurs étapes. Plus précisément, ce métamatériau possède une auxéticité élémentaire pour les petites déformations compressives mais une auxéticité supérieure pour les grandes déformations. De façon plus importante encore, le module d'Young effectif présente une tendance similaire, devenant plus fort quand la contrainte de compression augmente. Dans le dernier chapitre, les poutres courbes de la structure sont remplacées par des poutres droites, et des auxétiques 3D avec des propriétés mécaniques encore meilleures sont obtenus. De plus, une transition de phase continue et élastiquement stable du coefficient de Poisson est rapportée.Rationally designed artificial porous structures and materials can achieve counter-intuitive mechanical properties, i.e., mechanical metamaterials, that are inaccessible to ordinary materials. Among the most popular mechanical metamaterials, auxetics have been widely investigated in the past few decades due to their unique lateral deformation. In this thesis, I focus on the investigation of the effective elastic constants (effective Poisson's ratio and Young's modulus) of 3D auxetics. In the first chapter, I introduce the concepts of mechanical metamaterials and the development of artificial auxetics. In the second chapter, based on the inspiration of the longitude and latitude, a 3D structure with partial auxeticity is proposed and studied. In the third chapter, directional instability is introduced and used to enhance the auxeticity of the structure investigated in the previous chapter. Then, in the fourth chapter, the structure proposed in Chapter 2 is utilized to design a new 3D structure that shows full auxeticity in the three main directions and a multi-step mechanical behavior. Specifically, this metamaterial has elementary auxeticity for small compressive strains but superior auxeticity for large strains. More importantly, the effective Young's modulus exhibits a parallel trend, i.e., it becomes larger with increasing compressive strain. In the last chapter, the curved beams in the structure are replaced by straight beams, and 3D auxetics with even better mechanical properties are obtained. Moreover, the elastically-stable continuous phase transition of the Poisson's ratio is reported
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