Vague de la galerie des murmures - Whispering-gallery wave

Les ondes de galerie de murmures , ou modes de galerie de murmures , sont un type d'onde qui peut se déplacer autour d'une surface concave. Découvertes à l'origine pour les ondes sonores dans la galerie des chuchotements de la cathédrale Saint-Paul , elles peuvent exister pour la lumière et pour d'autres ondes, avec des applications importantes dans les tests non destructifs , les lasers , le refroidissement et la détection , ainsi qu'en astronomie .

introduction

Instantané d'un mode de galerie de chuchotements acoustique calculé à une fréquence de 69 Hz dans un cylindre d'air fermé du même diamètre (33,7 m) que la galerie de chuchotements de la cathédrale Saint-Paul. Le rouge et le bleu représentent respectivement les pressions atmosphériques supérieures et inférieures, et les distorsions dans les lignes de la grille montrent les déplacements. Dans le cas des ondes se déplaçant dans un sens autour de la galerie, les particules d'air se déplacent selon des trajectoires elliptiques.

Les ondes de la galerie des chuchotements ont été expliquées pour la première fois pour le cas de la cathédrale Saint-Paul vers 1878 par Lord Rayleigh , qui a révisé une idée fausse précédente selon laquelle des chuchotements pouvaient être entendus à travers le dôme mais pas à une position intermédiaire. Il a expliqué le phénomène des murmures itinérants avec une série de rayons sonores réfléchis de manière spéculaire constituant les accords de la galerie circulaire. Accroché aux murs, le son ne devrait décroître en intensité que comme l'inverse de la distance - plutôt que l' inverse du carré comme dans le cas d'une source ponctuelle de son rayonnant dans toutes les directions. Cela explique que les chuchotements soient audibles tout autour de la galerie.

Rayleigh a développé des théories des ondes pour St Paul's en 1910 et 1914. L'installation d'ondes sonores à l'intérieur d'une cavité implique la physique de la résonance basée sur l' interférence des ondes ; le son ne peut exister qu'à certaines hauteurs comme dans le cas des tuyaux d'orgue . Le son forme des motifs appelés modes , comme indiqué sur le schéma.

De nombreux autres monuments ont montré des ondes de galeries chuchotantes, comme le Gol Gumbaz à Bijapur et le Temple du Ciel à Pékin.

Dans la définition stricte des ondes de galeries chuchotantes, elles ne peuvent exister lorsque la surface de guidage devient droite. Mathématiquement, cela correspond à la limite d'un rayon de courbure infini. Les vagues de la galerie des murmures sont guidées par l'effet de la courbure du mur.

Ondes acoustiques

Les ondes de galerie de murmures pour le son existent dans une grande variété de systèmes. Les exemples incluent les vibrations de la Terre entière ou des étoiles .

De telles ondes acoustiques de galerie de chuchotement peuvent être utilisées en contrôle non destructif sous la forme d'ondes qui rampent autour de trous remplis de liquide, par exemple. Ils ont également été détectés dans des cylindres et des sphères solides, avec des applications en détection , et visualisés en mouvement sur des disques microscopiques.

Les ondes de galerie murmurantes sont mieux guidées dans les sphères que dans les cylindres car les effets de la diffraction acoustique (étalement latéral des ondes) sont alors complètement compensés.

Ondes électromagnétiques

Modes optiques de galerie de chuchotement dans une sphère de verre de 300 µm de diamètre imagée expérimentalement par une technique de fluorescence . La pointe d'une fibre optique coupée en angle , visible à droite, excite les modes dans la région rouge du spectre optique.

Des ondes de galerie de murmures existent pour les ondes lumineuses. Ils ont été produits dans des sphères de verre microscopiques ou des tores, par exemple, avec des applications dans les domaines du laser , du refroidissement optomécanique , de la génération de peignes de fréquence et de la détection . Les ondes lumineuses sont presque parfaitement guidées par réflexion optique totale interne , ce qui permet d'atteindre des facteurs Q supérieurs à 10 10 . Ceci est bien supérieur aux meilleures valeurs, environ 10 4 , qui peuvent être obtenues de manière similaire en acoustique. Les modes optiques dans un résonateur à galerie de chuchotement sont intrinsèquement avec pertes en raison d'un mécanisme similaire à l'effet tunnel quantique . En conséquence, la lumière à l'intérieur d'un mode galerie chuchotant subit un certain degré de perte de rayonnement même dans des conditions théoriquement idéales. Un tel canal de perte est connu de la recherche sur la théorie des guides d'ondes optiques et est appelé atténuation des rayons tunnel dans le domaine des fibres optiques . Le facteur Q est proportionnel au temps de décroissance des ondes, qui à son tour est inversement proportionnel à la fois à la vitesse de diffusion en surface et à l'absorption des ondes dans le milieu constituant la galerie. Les ondes de galeries chuchotantes pour la lumière ont été étudiées dans des galeries chaotiques , dont les sections transversales dévient d'un cercle. Et de telles ondes ont été utilisées dans des applications d' information quantique .

Ondes Whispering-gallery ont également été mis en évidence pour d' autres ondes électromagnétiques telles que les ondes radio , micro - ondes , rayonnement térahertz , un rayonnement infrarouge , des ondes ultra - violets et les rayons X . Plus récemment, avec le développement rapide des technologies microfluidiques, de nombreux capteurs intégrés en mode galerie chuchotant, en combinant la portabilité des dispositifs de laboratoire sur puce et la haute sensibilité des résonateurs en mode galerie chuchotant sont apparus. Les capacités de manipulation efficace des échantillons et de détection d'analytes multiplexés offertes par ces systèmes ont conduit à de nombreuses applications de détection biologique et chimique, en particulier pour la détection de particules ou de biomolécules uniques.

Autres systèmes

Des ondes de galerie de murmures ont été observées sous la forme d' ondes de matière pour les neutrons et les électrons, et elles ont été proposées comme explication des vibrations d'un seul noyau . Des ondes de galerie de murmure ont également été observées dans les vibrations de films de savon ainsi que dans les vibrations de plaques minces. Des analogies d'ondes de galerie de murmure existent également pour les ondes gravitationnelles à l' horizon des événements des trous noirs . Un hybride d'ondes de lumière et d' électrons connu sous le nom de plasmons de surface a été démontré sous la forme d'ondes de galerie de chuchotement, et de même pour les excitons - polaritons dans les semi-conducteurs . Des galeries contenant à la fois des ondes acoustiques et optiques de galerie de chuchotement ont également été réalisées, présentant un couplage de modes très fort et des effets cohérents. Des structures hybrides solide-fluide-optique de galerie de chuchotement ont également été observées.

Voir également

Les références

Liens externes