Doctorante / Doctorant : Sculpter le rayonnement par modulation spatio-temporelle

La diffusion est au coeur de la majorité des techniques et technologies mises en oeuvre à partir des ondes électromagnétiques. Celle-ci prend un nombre considérable de formes selon la nature de l'interaction entre les ondes et la matière - nature dépendant à la fois des ondes et de l'architecture de la matière. Ainsi, l'exploration de formes variées d'interactions et leur description animent de nombreuses activités de recherche.

Contexte technico-scientifique

L'une des principales motivations techniques aujourd'hui concerne la capacité à façonner la propagation des ondes à travers des milieux de plus en plus complexes, autrement dit, s'aider des nombreuses interactions ondes-matière lors de la propagation pour réaliser des comportements spécifiques des ondes via leur mise en forme au cours du temps [1-2]. Outre ce travail de sculpture des ondes, jouer au cours du temps sur les propriétés électromagnétiques du milieu de diffusion révèle de nouveaux comportements des ondes - générations de fréquences et amplification paramétrique, par exemple - et invite à revenir aux fondements de nos descriptions pour les questionner et les élargir [3-4].

Tous ces travaux stimulants ouvrent un large champ des possibles en termes de degrés de libertés offerts par les ondes et leur milieu de propagation. En particulier, les milieux résonants permettent d'exacerber certains comportements - intensification d'énergie par exemple - et sont le lieu de phénomènes de diffusion singuliers [5], dont certains ont été étudiés ces dernières années dans nos laboratoires [6-7]. Cette thèse souhaite modestement s'inscrire dans l'inspiration et les curiosités ouvertes par cette littérature en questionnant les phénomènes dynamiques d'interaction ondes-matière pouvant permettre de sculpter le rayonnement d'un milieu résonant ouvert.

Coopération

La thèse proposée s'inscrit dans le cadre du projet ANR ASTRID nommé STEEM-POP (modulation spatio-temporelle des ondes électromagnétiques pour les dispositifs de forte puissance). Ce projet implique plusieurs partenaires académiques : l'ENAC, le LAPLACE et l'ISAE-SUPAERO à Toulouse, le LAUM au Mans et l'IETR à Rennes. La thèse concerne principalement des recherches animées par les partenaires toulousains. Des échanges, des coopérations et des croisements sont prévus avec l'ensemble des partenaires, les explorations de cette thèse devant s'intersecter avec d'autres recherches menées au cours du projet.

Objectifs

L'objectif de la thèse est d’explorer différentes étapes de la mise en forme d'ondes électromagnétiques à partir des concepts de modulation spatiale et temporelle, non seulement des ondes électromagnétiques incidentes, mais aussi du milieu de propagation. Nous souhaitons nous aider des degrés de liberté spatiaux et temporels de cavités ouvertes afin de découpler le stockage de l'énergie incidente dans le milieu de la décharge façonnée du système par rayonnement.

Cet objectif peut se décliner selon deux questions :

• Que sont des états rayonnants / non-rayonnants et leurs propriétés pour une cavité ouverte ?

• Comment implémenter une transition d'un état non-rayonnant vers un état rayonnant d'une cavité ouverte ?

Axes de travail

Le sujet pose des questions volontairement larges. Nous donnons ici quelques éléments de réflexion autour desquels les travaux s'amorceront, de manières théorique, numérique et/ou pratique.

Ainsi, par états non-rayonnants (en vu du stockage de l'énergie électromagnétique), nous faisons référence aux états propres confinés (embedded eigenstates, bound states in the continuum (BICs) ou quasi-BICs) et aux anapôles [8]. Après nous être familiarisés avec ces concepts, nous tenterons de répondre aux questions de leur existence et de leur description au sein de cavités microondes.

Nous dessinerons alors leur(s) lien(s) (ou non) avec des organisations des ondes dans les cavités compatibles avec leur rayonnement, organisations que nous chercherons par modulation spatio-temporelle du milieu (cavité). Cette modulation porte dans un premier temps la nécessité de se familiariser avec la physique des ondes dans les milieux variant dans le temps. Cet aspect dynamique nous invitera à investir les problématiques liées aux comportements transitoires des ondes au sein des milieux résonants. La modulation sera successivement envisagée comme une "simple" commutation de diodes PIN au sein de la cavité, puis comme une modulation temporelle des conditions aux limites du milieu résonant par des éléments de type surfaces intelligentes reconfigurables.

Enfin, l'énergie emmagasinée sera relâchée par rayonnement. L'usage d'une cavité ouverte, potentiellement multi-résonante, nous invitera à définir ce qu'y sont des états rayonnants, en particulier parce qu'ils seront ici stimulés lors de sa décharge, autrement dit lors d'un événement a priori transitoire. En nous appuyant sur la modulation spatio-temporelle du milieu, nous souhaiterons identifier les conditions de couplage à l'espace libre permettant de favoriser la concentration temporelle d'énergie, voire de façonner son "diagramme de rayonnement".

Cheminement

La première année de thèse sera consacrée à l'appréhension théorique des concepts liés aux états non-rayonnants, au contexte des milieux résonants microondes et à la physique des milieux variant dans le temps. Quelques premières explorations nous conduiront à affiner nos questionnements, à dessiner de premiers liens ou au contraire à en rejeter certains.

La deuxième année amorcera la transition entre ces réflexions et leur traduction en étude(s) expérimentale(s) qui se poursuivront au cours de la troisième et dernière année. Outre la mise en oeuvre d'états non-rayonnants, l'implémentation de la transition entre ces états et d'autres rayonnants est visée.

Lors de cette dernière année, les convergences esquissées entre les différentes questions scientifiques du projet seront explicitées et participeront à formuler le cahier des charges d'un banc expérimental permettant le rayonnement sans réflexion de signaux à forte puissance façonnés par une cavité ouverte. En toute évidence, cette dernière année sera en partie occupée à la rédaction du manuscrit de thèse et à la préparation de sa défense.

Tout au long de la thèse, vous participerez aux échanges liés au projet STEEM-POP et sera amené.e à valoriser ses résultats à travers différentes communications scientifiques.

Références

[1] H. Cao, A. P. Mosk, and S. Rotter, “Shaping the propagation of light in complex media,” Nature Physics, vol. 18, pp. 994–1007, 2022.

[2] M. Davy. Des ondes qui traversent les murs. IETR et Espace des sciences. [Online]. Available : https ://www.youtube.com/watch ?v=DOKrQgQsBxY

[3] C. Caloz and Z.-L. Deck-Leger, “Spacetime metamaterials—part I : General concepts,” vol. 68, no. 3, pp. 1569–1582, 2020.

[4] G. Ptitcyn, M. S. Mirmoosa, A. Sotoodehfar, and S. A. Tretyakov, “A tutorial on the basics of time-varying electromagnetic systems and circuits : Historic overview and basic concepts of time-modulation,” vol. 65, no. 4, pp. 10–20, 2023.

[5] A. Krasnok, D. Baranov, H. Li, M.-A. Miri, F. Monticone, and A. Alú, “Anomalies in light scattering,” vol. 11, no. 4, p. 892, 2019.

[6] V. Mazières, R. Pascaud, L. Liard, S. Dap, R. Clergereaux, and O. Pascal, “Plasma generation using time reversal of microwaves,” Applied Physics Letters, vol. 115, p. 154101, 2019.

[7] T. Delage, O. Pascal, J. Sokoloff, and V. Mazières, “Experimental demonstration of virtual critical coupling to a single-mode microwave cavity,” Journal of Applied Physics, vol. 132, p.153105, 2022.

[8] F. Monticone, D. Sounas, A. Krasnok, and A. Alù, “Can a nonradiating mode be externally excited ? nonscattering states versus embedded eigenstates,” ACS Photonics, vol. 6, no. 12, pp.3108–3114, 2019.

Vous êtes titulaire d'un master ou d'un diplôme d'école d'ingénieurs en physique des micro-ondes / électromagnétisme et télécommunications