Le Monde selon la physique:PHYSICS WORLD COM/January2018 -3 : french translation + comments

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X-ray 'GPS' dévoilé par la NASA

18 janvier 2018

Photo de l'un des 52 concentrateurs à rayons X

Navigation NICER: l'un des concentrateurs de rayons X

X-ray ‘GPS’ unveiled by NASA

Jan 18, 2018

NICER navigation: one of the X-ray concentrators

Un système de navigation de type GPS pour les engins spatiaux utilisant des signaux de rayons X émis par des pulsars pourrait bientôt devenir une réalité grâce à une expérience menée sur la Station spatiale internationale (ISS). Les ingénieurs de la NASA ont montré que le système SEXTANT basé sur l'ISS peut utiliser les signaux de quatre pulsars pour déterminer l'emplacement de l'ISS à moins de 15 km. Un système de navigation à base de pulsars permettrait à l'engin spatial de voyager plus facilement dans tout le système solaire, et au-delà, selon la NASA.

SEXTANT utilise le télescope à rayons X NICER. Le NICER a été installé sur l'ISS en juin 2017 et est conçu pour sonder l'intérieur des pulsars à rayons X, qui sont des étoiles à neutrons qui émettent des rayons X. Cela se fait en faisant des mesures très précises de l'énergie des rayons X ainsi que de la fréquence des impulsions - qui se situent typiquement entre 1 et 800 Hz

NICER est un réseau de 52 concentrateurs de rayons X - chacun étant un ensemble de miroirs cylindriques concentriques - qui focalisent les rayons X entrants sur les détecteurs à base  de silicium. Ces détecteurs enregistrent l'énergie et les temps d'arrivée des photons X individuels provenant d'étoiles à neutrons éloignées.

La mesure de SEXTANT a été effectuée au cours de deux jours en utilisant quatre pulsars avec des périodes de millisecondes. Les temps d'arrivée des impulsions sont mesurés à moins de 300 ns et en comparant les heures d'arrivée des impulsions provenant des quatre sources différentes, Sextant a pu suivre la position de l'ISS allant  à près de 28 000 km / h. La résolution spatiale du système est d'environ 15 km, mais Jason Mitchell de la NASA dit que cela pourrait être réduit à environ 100 m dans l'espace profond.

Selon la NASA, un futur vaisseau spatial pourrait utiliser des pulsars pour naviguer dans l'espace profond de manière autonome sans avoir à communiquer avec la Terre pour déterminer sa position. «Cette démonstration réussie établit fermement la viabilité de la navigation par pulsar à rayons X en tant que nouvelle capacité de navigation autonome», a déclaré M. Mitchell. Nous avons montré qu'une version mature de cette technologie pourrait améliorer l'exploration de l'espace profond partout dans le système solaire et au-delà. "

Suite à ces premiers succès, l'équipe de SEXTANT met à jour les logiciels embarqués et au sol pour un second test plus tard dans l'année.

A propos de l'auteur

Hamish Johnston est rédacteur en chef de physicsworld.com

MON COMMENTAIRE  /C’est un résultat positif certes …..Mais pensez vous qu un tel vaisseau puisse être lancé bientôt «  dans l « espace profond « ? 

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Isolateur topologique quadripolaire créé en métamatériau mécanique

17 janvier 2018

Quadrupole topological insulator created in mechanical metamaterial

Jan 17, 2018

On the corner: illustration of corner charges in a quadrupole system

Illustration d'un système avec une distribution de charge quadripolair

Le premier «isolateur topologique quadripolaire» a été créé dans un métamatériau mécanique par des physiciens en Suisse. L'expérience confirme une prédiction théorique faite en 2017  , à savoir que les concepts derrière les isolateurs topologiques dipolaires traditionnels peuvent être étendus pour créer des versions multipolaires supérieures. Les chercheurs croient que le travail pourrait conduire à des guides d'ondes à sens unique qui seraient immunisés contre la diffusion.

Contrairement à la plupart des isolateurs topologiques - qui impliquent la conduction de la charge électrique - les propriétés topologiques du métamatériau proviennent de ses modes vibrationnels. Le travail effectué récemment par deux autres équipes de physiciens suggère que les isolants topologiques quadripolaires peuvent également être fabriqués à partir de systèmes basés sur des électrons et des photons.

Dans les isolateurs topologiques électriques traditionnels, les moments dipolaires électriques sont placés tête-bêche dans la masse du cristal, s'annulant l'un l'autre. Sur les surfaces, cependant, des charges électriques peuvent s'accumuler, conduisant à des modes de bordure  qui conduisent la charge dans une direction sans diffusion. En 2017, Taylor Hughes de l'Université de l'Illinois à Urbana Champaign et ses collègues ont calculé que, si une polarisation de charge d'ordre supérieur se produisait à l'intérieur d'un cristal, des phénomènes plus complexes pourraient être observés sur les bords. Par exemple, si la masse contenait des moments quadrupolaires, chaque bord devrait devenir une version 1D d'un isolant topologique dipolaire traditionnel, donnant lieu à des «modes de coin» où ils se rencontreraient.

Des isolateurs topologiques analogues au type dipôle électrique ont été créés dans des systèmes où le rayonnement électromagnétique ou les oscillations mécaniques jouent le rôle de charge électrique. "Le lien réside  vraiment sur le plan mathématique", explique Sebastian Huber de l'ETH Zurich. "L'existence ou l'absence d'états de surface est indépendante de ces degrés de liberté étant chargés ou non." Dans la nouvelle recherche, Huber et ses collègues ont produit un métamatériau mécanique qui réalise la première démonstration expérimentale d'un isolant topologique quadrupolaire.

L'équipe a utilisé les principes mathématiques définis par l'équipe de Hughes pour calculer les fréquences de résonance des différents modes dans un métamatériau mécanique topologique fabriqué à partir de plaques de silicium de 5 mm reliées entre elles par des poutres. Ils ont ensuite fabriqué le métamatériau et mesuré sa réponse aux vibrations induites à différentes fréquences. «Il y a toute une gamme de fréquences où vous ne pouvez pas exciter de vibrations dans le système, que ce soit dans la masse ou dans le bord», explique Huber. "Cependant, aux quatre coins, juste au milieu de cette bande de fréquence, vous pouvez exciter les vibrations: ce sont les quatre états de coin."

À l'heure actuelle, le système est bidimensionnel, de sorte que les modes de coin n'ont nulle part où aller. Cependant, Huber et ses collègues visent à développer une configuration empilée en trois dimensions. Il devrait être possible, dit Huber, de développer une architecture cubique dans laquelle certains coins ne permettront la propagation que dans un sens et d'autres ne le permettront que dans le sens opposé. Ceci, dit-il, serait "le rêve" de produire des choses comme des guides d'ondes protégés topologiquement et protégés contre les dispersions.

"L'une des choses importantes ici ,c’ est que je pense que c'est le premier exemple dans lequel un concept de matière topologique a été réalisé d'abord dans un système mécanique", explique Martin van Hecke de l'Institut de physique atomique et moléculaire d'Amsterdam. pas impliqué dans la recherche

«Nous étions ravis de voir que nos prédictions pouvaient être réalisées aussi rapidement», dit Hughes, «cela montre que le domaine des métamatériaux topologiques est une voie très efficace pour réaliser ces phases topologiques intéressantes dans des expériences».

Dans les pré-tirages publiés récemment, l'équipe de Hughes décrit un système analogue basé sur un résonateur à micro-ondes, alors que Ronny Thomale de l'université de Würzburg en Allemagne et ses collègues décrivent un système similaire basé sur un circuit électrique.

Huber et ses collègues ont décrit leur métamatériau dans Nature.

A propos de l'auteur

Tim Wogan est un écrivain scientifique basé au Royaume-Uni

MON COMMENTAIRE  /Interessant mais le résultat final  reste à obtenir

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Les neutrons volent à gauche ou à droite selon la taille des noyaux en collision

16 janvier 2018

Photo du détecteur PHENIX au RHIC

Droite ou gauche: le détecteur PHENIX au RHIC

Neutrons fly left or right depending on size of colliding nuclei

Jan 16, 2018

Right or left: the PHENIX detector at RHIC

Des chercheurs du collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du Brookhaven National Lab (BNL) aux États-Unis ont découvert que lorsque des protons en rotation entrent en collision avec des noyaux, ils produisent des neutrons qui volent dans différentes directions selon la taille du noyau cible. Les physiciens disent que cette observation inattendue suggère que le mécanisme produisant des neutrons est différent pour les grands et les petits noyaux. Ils ajoutent que cela pourrait avoir des implications importantes pour l'interprétation d'autres collisions de particules à haute énergie, y compris les interactions des rayons cosmiques à ultra-haute énergie avec l'atmosphère de la Terre.

Le RHIC fonctionne depuis 2000 et est le seul collisionneur au monde capable de contrôler avec précision la polarisation de spin des protons en collision. Lors de sa première série de protons polarisés en 2001-2002, les chercheurs ont découvert que lorsqu'un neutron avec un spin ascendant heurte un autre proton, le neutron produit dans la collision préfère émerger vers la droite.

Près d'une décennie plus tard, en 2011, des physiciens théoriciens ont publié un article expliquant ce résultat. Mais en 2015, un étudiant en doctorat de l'Université nationale de Séoul en Corée du Sud et de BNL, Minjung Kim,  a  fait une découverte surprise. Elle a observé que lorsque des protons entrent en collision avec des noyaux d'or - qui sont beaucoup plus gros que des protons - ils produisent un neutron avec une forte préférence pour voyager dans l'autre sens: vers la gauche.

Ce changement de préférence directionnelle n'a pas été prévu par la théorie de 2011. "Ce que nous avons découvert lors des collisions avec les noyaux d'or en 2015 n'était pas seulement que la magnitude de l'asymétrie augmentait d'un facteur trois, mais aussi son signe inversé, avec la direction de dispersion préférée de droite à gauche".ajoute  un physicien de BNL et porte-parole adjoint de la collaboration PHENIX au RHIC, raconte Physics World. "C'était complètement inattendu."

Pour confirmer la découverte de Kim, les physiciens de PHENIX ont travaillé sur l'analyse de données et les simulations de détecteurs, et ont répété les mesures dans des conditions contrôlées plus précisément. Ces nouvelles expériences comprenaient également des collisions entre les protons et les noyaux d'aluminium, qui se situent entre les protons et les noyaux d'or en taille.

Les résultats ont confirmé que les collisions proton-proton produisent une asymétrie directionnelle avec plus de diffusion des neutrons vers la droite, tandis que les collisions proton-or produisent une asymétrie plus forte avec la diffusion des neutrons vers la gauche. Et, les collisions avec les ions d'aluminium de taille intermédiaire ont produit des neutrons avec une asymétrie proche de zéro - un nombre à peu près égal dispersé dans chaque direction.

Pour expliquer leurs découvertes, les physiciens ont examiné de près les processus et les forces affectant les particules diffusantes. Ils ont conclu que dans les collisions proton-proton, l'asymétrie est conduite par des interactions régies par la force nucléaire forte, comme décrit dans la théorie de 2011. Dans les grands noyaux avec une charge électrique plus positive, cependant, les interactions électromagnétiques jouent un rôle beaucoup plus important dans la production de particules que dans les collisions entre deux protons également chargés.

"Nous pensons qu'en raison d'une charge électrique beaucoup plus importante que celle du proton, les interactions électromagnétiques jouent un rôle plus important dans la production de neutrons en compétition avec de fortes interactions nucléaires, avec une asymétrie de signe opposé à celle produite par de fortes interactions nucléaires." explique Bazilevsky. Il ajoute que dans les noyaux d'aluminium de taille moyenne, les asymétries générées par les interactions nucléaires et électromagnétiques s'annulent mutuellement et il en résulte une asymétrie directionnelle dans les neutrons résultants. "Comme le montre notre article, le renversement du signe d'asymétrie survient autour du noyau d'aluminium, donc tout noyau plus léger que l'aluminium produirait une asymétrie négative ( préférence à droite ), et tout noyau plus lourd produirait une asymétrie positive (préférence à gauche). .

L'étude est décrite dans Physical Review Letters.

A propos de l'auteur

Michael Allen est un écrivain scientifique basé au Royaume-Uni

MON COMMENTAIRE / Il se trouve que dans les articles que j’ai publiés récemment sur les  chocs de protons antiprotons ou d électrons positrons  j’avais prévu  de signaler  cette possibilité théorique  de dissymétrie   . …Mais  hélas  ce fut une des rares fois   ou j’ai envoyé par erreur   sur mon ordi l article à la poubelle !

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Des astro peignes optiques pourraient stimuler les recherches de planètes telluriques

16 janvier 2018

Un exemple du spectre de deux peignes de fréquence laser

Optical ‘astrocomb’ could boost searches for Earth-like planets

Jan 16, 2018

Fine-toothed: the optical spectrum of two laser frequency combs

Un nouveau type de peigne de fréquence laser (LFC) a été développé par des scientifiques en Europe. Le dispositif prototype pourrait conduire à des améliorations dans la façon dont les scientifiques recherchant des exoplanètes semblables à la Terre, mesurent l'expansion de l'Univers et testent les constantes fondamentales de la nature.

Les LFC produisent des lignes spectrales de lumière avec des fréquences régulièrement espacées et ont un large éventail d'applications en métrologie et en spectroscopie. Le nouveau LFC a été développé par Tobias Herr du Centre suisse d'électronique et de microtechnique, Francesco Pepe de l'Observatoire de Genève et ses collègues. Il utilise un microrésonateur entraîné par laser sur une puce de nitrure de silicium qui produit des impulsions de 24 GHz pour l'étalonnage des spectromètres dans le proche infrarouge. Cela lui donne un avantage sur les LFC traditionnels, qui fonctionnent à des fréquences inférieures à 10 GHz et créent un espacement de ligne trop petit pour la spectroscopie astronomique.

Les impulsions sont produites au moyen d'un phénomène connu sous le nom de solitons de cavité Kerr- dissipatifs temporels (DKSs), qui consiste à piéger des impulsions de lumière ultra-courtes dans un micro résonateur circulaire de la taille d'un micron. Chaque fois que l'impulsion DKS passe le coupleur d'entrée-sortie du micro résonateur, une partie de l'impulsion est siphonnée et dirigée vers le spectromètre, produisant une série de lignes spectrales qui, dans le prototype, qui sont espacées de 24 GHz chacune. Ces lignes forment un peigne spectral et agissent comme un outil d'étalonnage précis pour le spectromètre.

Une méthode populaire de détection des exoplanètes est la technique dite  de la vitesse radiale. Cela implique de mesurer le mouvement subtil d'une étoile causée par le remorquage  gravitationnel d'une planète en orbite. Ces mouvements ne sont souvent pas plus rapides que celui de  la marche et nécessitent des mesures spectroscopiques très précises du décalage Doppler de la lumière de l'étoile lorsqu'elle se déplace. La taille du décalage Doppler et la période à laquelle il se produit peuvent indiquer aux astronomes à la fois la masse et la distance de l'étoile de la planète. Plus la masse de l'étoile est grande, ou moins la planète est massive ou éloignée, plus le décalage Doppler est petit.

Actuellement, les spectromètres astronomiques utilisent des lampes à cathode creuse qui produisent soit un nombre limité de lignes d'étalonnage  mais bruyantes, soit des LFC basse fréquence standard qui traversent les étalons Fabry-Pérot pour augmenter leur gamme spectrale et ceci  au détriment de la précision. Par exemple, l'instrument HARPS sur le télescope de 3,6 m de l'Observatoire européen austral du Chili peut mesurer un décalage Doppler causé par des vitesses aussi faibles que 30 cm / s. Pendant ce temps, l'ESPRESSO, qui a vu la première lumière sur le Very Large Telescope de l'ESO en décembre 2017, peut atteindre une résolution spectrale globale de 10 cm / s. Tous deux utilisent des lampes au thorium-argon ainsi que des LFC traversant les etalons Fabry-Pérot.

Bien que le succès du peigne de fréquence DKS dépende aussi de la stabilité du spectromètre, il a le potentiel pour  mesurer des décalages Doppler de seulement quelques centimètres par seconde. Cela signifie qu'il pourrait, en principe, être utilisé pour découvrir des mondes potentiellement habitables en orbite autour d'étoiles semblables au Soleil.

"A l'avenir, nous espérons augmenter le nombre de lignes LFC pour atteindre le niveau de 1 cm / s", explique Herr. "Cependant, avant que la technologie puisse être utilisée de manière routinière, il existe un certain nombre de défis technologiques à surmonter", ajoute M. Herr. Parmi ces obstacles figure la nécessité d'augmenter la portée du LFC pour couvrir l'ensemble des bandes proches de l'infrarouge et de l'optique, ainsi que la nécessité de rendre la technologie moins complexe et plus conviviale pour une utilisation de routine.

Cependant, Pepe dit, "des instruments tels que le prochain spectrographe NIRPS, qui rejoindra les HARP sur le télescope de 3,6 mètres de l'ESO en 2019, seront éventuellement équipés de LFC basés sur cette nouvelle technologie". En fin de compte, la nature compacte de la technologie pourrait même permettre de  l'utiliser dans les spectromètres des missions spatiales.

Au-delà de la recherche de planètes, la nouvelle technologie pourrait améliorer les mesures des redshifts des galaxies, aidant ainsi à fournir une mesure plus précise de l'énergie noire ou de la constante de Hubble. Pendant ce temps, en observant les galaxies à des distances variables et en mesurant des changements dans des raies d'émission spécifiques qui dépendent directement des propriétés des constantes fondamentales de la nature, les cosmologistes cherchent à découvrir si ces constantes sont réellement variables. C’est parce que les décalages liés aux constantes variables, telles que la constante de structure fine, sont si minuscules,qu’ un peigne de fréquence laser DKS erait t susceptible d'être la meilleure façon de faire ces mesures.

Le nouveau peigne de fréquence laser est décrit dans une pré-impression sur arXiv.

A propos de l'auteur

Keith Cooper est un écrivain scientifique basé au Royaume-Uni

MON COMMENTAIRE  / J’ai des doutes sur l’application sure de cette méthode  dite  « des vitesses radiales …. je m’explique : les exoplanètes, lorsqu’elles orbitent leur étoile, elles provoquent un léger mouvement de l’étoile par effet de frein  de  gravité, et donc font varier l’onde lumineuse de l’étoile de façon périodique (effet DOPPLER FIZZEAU )  car   lorsqu’ il ya plusieurs planètes proches   ces effets se   cumulent …..

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La gravité quantique pourrait être sondée par à partir de masses intriquées

15 janvier 2018

Impression artistique des masses empêtrées dans leur localisation

Quantum gravity could be probed by entangled masses

Jan 15, 2018

Weighing in: physicists say that entangled masses could point to quantum gravity

La nature quantique insaisissable, mais apparemment inévitable, de la gravité peut enfin être démontrée expérimentalement. Deux groupes distincts au Royaume-Uni; Chiara Marletto et Vlatko Vedral à l'Université d'Oxford, et une équipe dirigée par Sougato Bose de l'University College London, ont proposé des expériences qui pourraient révéler pour la première fois un lien entre les théories de la mécanique quantique et la relativité générale.

Dans leurs domaines, la mécanique quantique et la théorie de la relativité générale d'Einstein semblent fonctionner incroyablement bien, quels que soient les problèmes que les physiciens leur proposent. Cependant, certaines des règles physiques qui supervisent les théories semblent fondamentalement incompatibles, et la  théorie unifiée de la gravité quantique qui les associe est devenue notoirement difficile à développer.

"Un problème redoutable est l'immense faiblesse de l'interaction gravitationnelle par rapport aux autres forces fondamentales dans la nature", a déclaré Bose à Physics World. "Par exemple, même la force électrostatique entre deux électrons dépasse de plusieurs ordres de grandeur la force gravitationnelle entre deux masses de kilogrammes."

Jusqu'à présent, les théories sur la nature quantique de la gravité ont semblé pratiquement impossibles à tester expérimentalement. En tant que telles, les théories allant des particules quantiques appelées gravitons, qui transmettraient la gravité de la même manière  que les photons pour les champs électromagnétiques,jusqux’ aux idées globales de la théorie des Cordes et de la gravité quantique en boucle,  elles  sont toutes restées spéculatives.

Les premières étapes pour concevoir une expérience visant à tester la gravité quantique ont été prises par Richard Feynman. Il a proposé une expérience de pensée dans laquelle une masse d'essai est préparée dans une superposition quantique à deux emplacements différents, puis  interagit ensuite avec le champ gravitationnel, provoquant l'intrication de la masse et du champ. Si les deux états spatiaux de la masse pouvaient alors interférer; en retournant la masse à un seul emplacement spatial défini, le couplage avec le champ gravitationnel serait ensuite inversé, montrant que la gravité a été couplée de façon cohérente avec un système quantique.

Feynman espérait que cette expérience de pensée  confirmerait la nature quantique des champs gravitationnels, mais Marletto et Vedral croient qu'elle n'est pas assez sophistiquée. Puisque l'interférence des deux états spatiaux de la masse pourrait se produire même en présence de champs gravitationnels classiques, l'expérience ne prouverait pas que la masse et le champ étaient intriqués, à moins que l'intrication ne puisse être mesurée directement. Par conséquent, le champ gravitationnel n'a pas besoin d'être quantifié. Bose explique: «Exactement ( savoir)quel attribut des masses à mesurer pour conclure à la nature quantique du champ gravitationnel a été laissé ouvert». Une autre approche s’avérait nécessaire pour observer ses caractéristiques quantiques.

Bose, Marletto et leurs collègues croient que leurs propositions constituent une amélioration de l'idée de Feynman. Ils se  sont basés sur des tests visant à déterminer si la masse pourrait être intriquée avec une seconde masse identique via le champ gravitationnel. Pour ce faire, les deux masses seraient d'abord préparées à l'aide de deux interféromètres identiques adjacents. Ces dispositifs sont généralement utilisés pour diviser les ondes lumineuses en faisceaux séparés, qui peuvent ensuite être interférés. Lorsque de minuscules masses sont impliquées, cependant, leurs fonctions d'onde quantique peuvent être divisées et interférées pour superposer plusieurs états quantiques sur la masse.

"Nos deux équipes ont adopté des approches légèrement différentes de la proposition", explique Marletto à Physics World. "Vedral et moi avons fourni une preuve générale du fait que tout système capable de médier l'intrication entre deux systèmes quantiques doit lui-même être quantique. D'un autre côté, Bose et son équipe ont discuté des détails d'une expérience spécifique, en utilisant deux états de spin pour créer la superposition spatiale des masses. "

Si les champs gravitationnels sont véritablement de nature quantique, les deux équipes ont réalisé que l'attraction gravitationnelle entre les deux masses les rendrait intriquées  précisément au moment où elles quittaient leurs interféromètres respectifs. Comme dans l'expérience de Feynman, la première masse peut être intriquée avec le champ gravitationnel, mais cette fois, aucune interaction avec le champ gravitationnel n'est nécessaire puisque la seconde masse pourrait être utilisée comme témoin des propriétés quantiques de la première. Cela permettrait aux chercheurs de confirmer que les champs gravitationnels classiques ne pouvaient être responsables de l'interférence des masses.

Les équipes de Bose et Marletto reconnaissent que les défis posés par les lacunes de la technologie actuelle signifient que leurs expériences proposées n'ont aucune garantie de succès. Si les expériences ne sont pas effectuées avec suffisamment de précautions, d'autres forces plus fortes comme les interactions électromagnétiques de Casimir, de Van der Waal ou d'autres interactions indésirables pourraient imiter les effets désirés de la gravité. intriquant les deux masses. Les masses pourraient également ne pas s'emmêler même si le champ gravitationnel est quantifié, si la nature de la gravité quantique était encore plus subtile et complexe que les chercheurs  ne l anticipent, ceci signifiant que  ne pas être témoin de l'intrication ne serait pas un résultat non concluant. Ils réalisent également que leurs expériences ne confirmeraient toujours pas laquelle des nombreuses théories concurrentes de la gravité quantique seraient correctes. Les propositions sont décrites dans deux articles publiés dans Physical Review Letters: C Marletto et V Vedral et Bose et al. A propos de l'auteur Sam Jarman est un écrivain scientifique basé au Royaume-Uni

MON COMMENTAIRE /Il est pessimiste concernant les manips que les auteurs proposent  car la force de gravité entre deux atomes même choisis en éléments  à Z élevé   ne pèse guère devant une force de  VANDER WALLS par exemple …Par ailleurs et à ma connaissance je ne vois pas comment réaliser une intrication  uniquement gravitationnelle  à cette échelle de 2 atomes …. En revanche constater que sur le principe   il reste des choses à prendre en compte  et à interpréter différemment ,par exemple  en termes  de non localité  variable  ,je pense que cela va réjouir mon correspondant DOMINIQUE MAREAU     qui propose une tout  AUTRE démarche  avec son modèle  OSCAR ….

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Les forêts pourraient limiter les dégâts causés par les tremblements de terre aux bâtiments

12 janvier 2018

Photographie d'arbres dans une forêt, ce qui pourrait protéger les bâtiments contre les tremblements de terre

How forests could limit earthquake damage to buildings

Jan 12, 2018

Les bâtiments à l'avenir pourraient être isolés des tremblements de terre en étant placés derrière des rangées d'arbres. C'est ce que disent les physiciens en France, qui ont montré que certaines ondes sismiques, appelées vagues LOVE, pouvaient être détournées de la surface de la Terre lorsqu'elles traversaient une forêt contenant des arbres d'une certaine hauteur. La forêt agit comme un métamatériau - une structure artificielle habituellement utilisée pour diriger le rayonnement électromagnétique autour des objets.

Mieux connus pour leur utilisation comme capes d'invisibilité, les métamatériaux sont fabriqués à partir de grands réseaux de minuscules résonateurs qui manipulent la lumière et d'autres ondes électromagnétiques de manière non naturelle. Cependant, ces dernières années, les mathématiques sous-jacentes aux métamatériaux ont également été appliquées à d'autres types de rayonnement, y compris les ondes sismiques. L'idée ici est d'utiliser des réseaux d'objets de taille appropriée, soit au-dessous ou au-dessus du sol - des trous ou des poteaux quelconques - pour détourner les ondes sismiques autour des bâtiments vulnérables.

Alors que l'isolation passive vise typiquement la fréquence de résonance d'un bâtiment, les capes sismiques pourraient, en principe, être à large bande, selon Sébastien Guenneau de l'Institut Fresnel de Marseille. Cela, dit-il, permettrait d'ajouter des extensions aux bâtiments et pourrait être utilisé pour protéger les monuments historiques qui ne peuvent pas être modifiés. Guenneau faisait partie d'une équipe qui a démontré le principe de base de ces «manteaux sismiques» en 2012 en creusant une grille 2D de forages de 5 m de profondeur dans le sol et en mesurant l'effet de grille sur les ondes acoustiques générées à proximité.

Les chercheurs ont constaté que seulement quelques rangées de trous de forage pouvaient refléchir environ la moitié de l'énergie des ondes vers leur source. Quelques années plus tard, cependant, un autre groupe, parmi lesquels Guenneau et Phillippe Roux de l'Université de Grenoble, a montré que la nature pouvait faire un travail similaire. Ils ont montré qu'une petite forêt de pins à Grenoble pouvait réfléchir  la majeure partie de l'énergie dans certaines bandes de fréquences des "ondes de Rayleigh", qui se déplacent juste sous la surface et sont générées par le vent et les vibrations des travaux routiers à proximité.

Actuellement, Guenneau - avec Agnès Maurel de l'Institut Langevin à Paris et Jean-Jacques Marigo de l'Ecole Polytechnique de Saclay - ont montré théoriquement que les forêts devraient aussi pouvoir se protéger contre les ondes LOVE. Comme les ondes de Rayleigh, ces ondes se déplacent juste en dessous du sol et sont générées lorsque des ondes sismiques s'échappant de l'épicentre d'un tremblement de terre atteignent la surface de la Terre. Mais, alors que les ondes de Rayleigh ont à la fois un mouvement horizontal et vertical, les ondes LOVE - qui peuvent gravement endommager les fondations d'un bâtiment - provoquent une secousse latérale horizontale et purement horizontale.

Guenneau et ses collègues ont constaté que, comme les ondes de Rayleigh, les ondes d'amour devraient créer des vibrations dans les troncs d'arbres. Ils ont identifié un nouveau type d'onde qu'ils ont baptisé «vague LOVE  parodique », généré lorsqu'une onde sismique se propage le long d'un sol boisé, dont le sol supérieur produit des vitesses de cisaillement plus faibles que la masse. Cette onde est mathématiquement analogue à une onde électromagnétique connue sous le nom de «spoof plasmon», qui peut se propager le long d'une surface métallique parsemée de piliers métalliques - le sol jouant le rôle de l'air au-dessus de la surface.

Les chercheurs ont étudié ce qui se passerait lorsque les ondes LOVE s'approcheraient d'une forêt contenant des rangées d'arbres de plus en plus courts. Ils ont calculé que les ondes LOVE parodiques résultantes se propageraient à travers la forêt jusqu'à ce qu'elles atteignent la rangée contenant des arbres juste de la bonne taille. Les ondesremueraient alors les arbres et les transformeraient ainsi en sources secondaires qui dissiperaient la majeure partie de l'énergie vibratoire vers le bas à travers la Terre. Réciproquement, ils ont découvert que lorsque les ondesLOVE s'approchent d'une forêt avec des arbres de plus en plus grands, l'énergie sismique devrait  se réfléchir en grande partie  versd'où elle vient.

Le groupe a également constaté que le feuillage des arbres devrait affecter les ondes sismiques de passage, en changeant la hauteur d'un arbre résonnant pour une fréquence d’onde donnée. "L'effet saisissant du feuillage pourrait également conduire à des modèles révisés des ondes de Rayleigh dans les forêts", explique Maure

En ce qui concerne le potentiel pratique du «blindage arboricole», Guenneau souligne qu'un bâtiment de cinq à dix étages résonne à au plus 10 Hz. À cette fréquence, dit-il, les arbres ne devraient avoir que 10-15 m de haut pour résonner avec les ondes LOVE, alors qu'ils devraient être  à un énorme 50-75 m pour se protéger contre les ondes de Rayleigh. Il envisage donc des arbres qui empêchent les secousses horizontales, tandis que les techniques conventionnelles continuent à se prémunir contre les mouvements verticaux. «Les forêts pourraient réduire de moitié le travail des ingénieurs civils», dit-il.

Pour montrer que leur idée fonctionne dans la pratique, Guenneau et ses collègues espèrent persuader Roux d'enquêter sur les ondes LOVE lorsqu'il entreprendra de nouvelles expériences à Grenoble, éventuellement  en automne. Pour soutenir leur cas, le trio prévoit d'abord de participer à un petit test de laboratoire impliquant des ondes ultrasonores et des «arbres» piézoélectriques de la taille d'un micron. Ping Sheng, de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong, qui étudie les métamatériaux acoustiques, prévient que la proposition nécessiterait des arbres à des  hauteurs spécifiques qui ne se trouvent généralement pas dans la nature. À ce titre, soutient-il, l'idée aurait un plus grand attrait si elle pouvait être appliquée à une forêt plus réaliste. "Ce serait en effet intéressant", dit-il. La recherche apparaît sur le serveur arXiv. À propos de l'auteur Edwin Cartlidge est un écrivain scientifique basé à Rome

MON COMMENTAIRE / Excellent travail que ces ondes de surface  , curieusement baptisées  Love !Rêvons ensemble   à une cité futuriste  d’une zone très sismique  ou tout bâtiment serait obligatoirement protégé par la bonne quantité d’arbres et de verdure   , optimalisée au préalable par calcul !!!! 

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A SUIVRE

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