Topological insulators and artificial crystals for Hydro-Elastic Waves - Physique et Mécanique des Milieux Hétérogènes Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Topological insulators and artificial crystals for Hydro-Elastic Waves

Isolants topologiques et cristaux artificiels pour les ondes hydro-élastiques

Résumé

This thesis concerns the study of Hydro-Elastic Waves (HEW): waves at the surface of a liquid interacting with an elastic floating membrane, merging concepts and methodologies from topology typically and recently applied to condensed-matter physics. At this point, the study of topological phases involves many classical physical systems where artificial crystals (i.e. sonic or photonic crystals) are employed to observe new transport properties mainly characterized by robustness against defects and suppression of the back-scattering (spin-locked transport). We propose to mimic the Quantum Spin Hall effect and Quantum Valley Hall effect describing the topological phases using a new approach based on HEW where the interaction between a silicone membrane spatially structured and water waves can lead to unidirectional robust waveguides immune to back-scattering. The study is based on a laboratory experiment which makes it possible to measure the wave field precisely via the synthetic Schlieren method. We first characterize the silicone membrane measuring its Young modulus, the dispersion relation and the attenuation of a HEW, showing that we are able to modify its propagation by changing the geometrical properties of the membrane. Then, before analysing the collective response of a spatially arranged structure, we describe the behaviour of a single triangular perforation on the membrane demonstrating that it acts like a 2D cavity; its resonant modes are obtained via modal decomposition and play a crucial role. We manufacture multiple triangular patterns of triangular perforations, the so-called artificial crystal for HEW, to mimic the band structure of a solid-state one: Bragg and hybridization gaps are experimentally shown. We demonstrate that a band inversion takes place when two different patterns with a particular rotational direction are put together (also called domain wall). The latter, in other words, is a straight interface that supports a topological edge mode that leads to a new robust pseudospin-dependent transport. At last, we experimentally prove the existence of a topological edge mode using an interface different from a straight line, a V-shape, where the attenuation losses due to the corner along the path are largely suppressed.
Cette thèse porte sur le comportement des Ondes Hydro-Élastiques (HEW), des ondes à la surface de l’eau qui interagissent avec une membrane élastique, en utilisant les idées et méthodologies qui dérivent de la topologie et de la physique de la matière condensée comme le Quantum Hall Effect (QHE). Les phases topologiques sont étudiées dans plusieurs domaines physiques et dans la majorité des cas, afin d’observer les propriétés liées aux isolants topologiques, il est nécessaire de construire un système où la symétrie par renversement du temps (T symmetry) est brisée. En se concentrant sur les systèmes avec des ondes à la surface de l’eau, ce n’est pas trivial de briser la T symmetry, dans ce cas ils sont nécessaires des flux d’eau rotationnelles qui comportent une forte injection d’énergie dans le système. Une autre approche pour faire face à ce défi expérimental est de mimer le Quantum Spin Hall Effect (QSHE), dans ce cas la T symmetry est préservée. Nous proposons d’étudier les phases topologiques en utilisant une nouvelle approche basée sur les HEW ou l’interaction entre une membrane de silicone et des ondes a la surface d’un liquide peut conduire à des guides onde robustes et immunes au back-scattering. Cette étude est basée sur des expériences en laboratoire qui permettent de reconstruire le champ de hauteur précisément. D’abord nous caractérisons la membrane de silicone en mesurant son module de Young, la relation de dispersion et l’atténuation, en montrant que nous sommes capables de modifier sa propagation en changeant les propriétés géométriques de la membrane. Nous étudions le comportement d’une perforation triangulaire sur la membrane, qui peut être vue comme une cavité 2D, en montrant ses modes de résonance. Nous utilisons un pattern triangulaire de perforations triangulaires, ce que l’on appelle un cristal artificiel, pour mimer la structure de bande d’un vrai cristal: les gaps de type Bragg et d’hybridation sont présentés expérimentalement. Nous démontrons qu’une inversion de bande se manifeste quand deux patterns avec des orientations différentes sont mis ensemble en créant une interface qui support un mode de bord topologique.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03982608 , version 1 (10-02-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03982608 , version 1

Citer

Federigo Ceraudo. Topological insulators and artificial crystals for Hydro-Elastic Waves. Fluid mechanics [physics.class-ph]. Université Paris sciences et lettres, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPSLS035⟩. ⟨tel-03982608⟩
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