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Zero refractive index in time-Floquet acoustic metamaterials

Résumé

New scientific investigations of artificially structured materials and experiments have exhibit wave manipulation to the extreme. In particular, zero refractive index metamaterials have been on the front line of wave physics research for their unique wave manipulation properties and application potentials. Remarkably, in such exotic materials, time-harmonic fields have infinite wavelength and do not exhibit any spatial variations in their phase distribution. This unique feature can be achieved by forcing a Dirac cone to the center of the Brillouin zone (G point), as previously predicted and experimentally demonstrated in time-invariant metamaterials by means of accidental degeneracy between three different modes. In this article, we propose a different approach that enables true conical dispersion at G with twofold degeneracy, and generates zero index properties. We break time-reversal symmetry and exploit a time-Floquet modulation scheme to demonstrate a time-Floquet acoustic metamaterial with zero refractive index. This behavior, predicted using stroboscopic analysis, is confirmed by fullwave finite elements simulations. Our results establish the relevance of time-Floquet metamaterials as a novel reconfigurable platform for wave control.

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Métamatériaux acoustiques
Les métamatériaux acoustiques sont des matériaux artificiels développés pour contrôler et manipuler les ondes acoustiques pouvant se propager dans des gaz, des liquides ou des solides. Initialement, ce domaine d'étude provient de la recherche de matériaux à indice de réfraction négatifs. Le contrôle des différentes formes d'ondes acoustiques ainsi générées est principalement réalisé grâce au contrôle du module d'élasticité β, de la densité ρ, ou de la .
Negative-index metamaterial
Negative-index metamaterial or negative-index material (NIM) is a metamaterial whose refractive index for an electromagnetic wave has a negative value over some frequency range. NIMs are constructed of periodic basic parts called unit cells, which are usually significantly smaller than the wavelength of the externally applied electromagnetic radiation. The unit cells of the first experimentally investigated NIMs were constructed from circuit board material, or in other words, wires and dielectrics.
Métamatériau
En physique, en électromagnétisme, le terme métamatériau désigne un matériau composite artificiel qui présente des propriétés électromagnétiques qu'on ne retrouve pas dans un matériau naturel. Il s'agit en général de structures périodiques, diélectriques ou métalliques, qui se comportent comme un matériau homogène n'existant pas à l'état naturel. Il existe plusieurs types de métamatériaux en électromagnétisme, les plus connus étant ceux susceptibles de présenter à la fois une permittivité et une perméabilité négatives.
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