"Faire émerger un véritable écosystème d'échanges et de collaborations entre les laboratoires de PSL travaillant sur les ondes"

Pourriez-vous expliquer le concept d’« ondes intelligentes » ?

Les ondes se manifestent par une variété quasi infinie de formes temporelles et spatiales de grandeurs locales, telle que la pression pour les ondes acoustiques.

Rendre les ondes « intelligentes », c’est sélectionner, parmi toute cette diversité, les formes les plus adaptées à un problème donné et à un milieu donné, qu’il s’agisse par exemple pour sonder la matière ou transmettre de l’information. Il existe plusieurs manières de façonner les ondes. L’une consiste à utiliser de grands réseaux d’émetteurs qui, à la manière d’un damier programmable, permettent de créer presque n’importe quel motif. Une autre approche, complémentaire, consiste à modifier le milieu dans lequel l’onde se propage afin d’en contrôler l’évolution. Cette méthode s’avère particulièrement pertinente pour les ondes optiques, notamment grâce aux matériaux localement reconfigurables.

Cette diversité ne concerne pas uniquement l’émission, mais également la réception des signaux. Là encore, il existe une infinité de traitements possibles, et l’enjeu est de sélectionner les plus pertinents afin d’extraire au mieux l’information, qu’elle soit véhiculée par l’onde dans un contexte de communication, ou encodée par le milieu traversé dans des applications d’imagerie.

Rendre les ondes intelligentes, c’est aussi approfondir la compréhension fondamentale de leur comportement dans toute la richesse et la diversité de leurs phénomènes de propagation, d’interaction et de diffusion.

En quoi la maîtrise des ondes constitue-t-elle aujourd’hui un enjeu stratégique pour la société, notamment en matière de santé, de communication ou de transition écologique ?

Depuis les années 2000, une transformation majeure s’est engagée, portée par des avancées technologiques et des progrès significatifs dans le traitement des données. Ces évolutions touchent de nombreux domaines, tels que l’optique, l’acoustique, les micro-ondes ou encore la sismologie.
Nous avons identifié quatre enjeux stratégiques liés aux ondes intelligentes.
Le premier concerne les communications, et plus précisément la révolution induite par le contrôle dynamique de la dépendance spatio-temporelle des ondes. En optique, par exemple, ce contrôle permet d’augmenter considérablement le débit dans les fibres multimodes. Dans le domaine des micro-ondes, les métasurfaces reconfigurables optimisent les communications en ajustant la réflectivité des surfaces de manière dynamique, offrant ainsi une alternative moins énergivore que les systèmes actuels, fondés sur de grands réseaux d’antennes.

Le second enjeu porte sur l’imagerie quantitative, qui va au-delà de la simple visualisation qualitative en extrayant des informations précises sur les objets ou les structures observés, grâce à des méthodes mathématiques et statistiques avancées. Initialement développée en imagerie sismique, notre ambition est notamment de l’étendre au domaine de la santé, via l’imagerie médicale. L’intégration récente de l’apprentissage profond en renforce encore le potentiel.

Le troisième enjeu vise le développement de matériaux innovants pour contrôler ou sonder les ondes. Une partie de ces travaux s’inscrit directement dans la transition écologique, avec, par exemple, la conception de matériaux capables de se refroidir naturellement en optimisant leur rayonnement thermique.

Enfin le quatrième enjeu est transversal aux trois premiers pour quantifier de manière fondamentale l’information qui est imprimée sur les ondes lors de la propagation au travers de milieux complexes. Cette problématique sera abordée avec les outils récents de l’apprentissage profond des réseaux de neurones combinés aux processus stochastiques.

Concrètement, quelles sont les grandes ambitions scientifiques de SmartWaves dans les prochaines années ?

Ce Grand Programme a pour ambition de fédérer, au sein de PSL, les expertises variées de différents champs disciplinaires — physique, mathématiques, chimie, géophysique, etc. — afin d’aborder des sujets de recherche de rupture grâce à des approches originales, nées de l’interaction entre des communautés scientifiques distinctes. Nous souhaitons ainsi relever les quatre enjeux majeurs identifiés au cours des cinq années de ce programme.

Concrètement, le comité de pilotage a déjà sélectionné plusieurs projets. Deux d’entre eux portent sur les ondes térahertz (THz), une gamme de fréquences prometteuse située entre les ondes radiofréquences et l’infrarouge. Ce domaine reste particulièrement complexe, car les moyens de générer ou de mesurer ces ondes sont encore limités, ce qui est souvent qualifié de « gap THz ».
Un projet porte sur les communications et utilise une modélisation statistique pour quantifier l’amélioration apportée par des matériaux reconfigurables à grande échelle. Un autre vise à comprendre la propagation des ondes dans des milieux fortement désordonnés, en employant des méthodes d’intelligence artificielle pour déterminer si les ondes peuvent être piégées par le désordre. Enfin, à l’interface entre l’imagerie quantitative et les matériaux, un étudiant en thèse étudie le déclenchement de glissements de faille par des ondes élastiques à l’échelle du laboratoire. L’objectif est de mieux comprendre comment des séismes de faible amplitude peuvent en déclencher de plus importants.

En quoi ce programme permet-il d’aller plus loin que des projets de recherche plus classiques ?

Financer des projets impliquant plusieurs communautés reste un défi complexe. Ces initiatives, souvent transversales, sont en effet difficiles à évaluer pour les comités de sélection, généralement composés d’experts issus d’une seule discipline. La situation se complique encore lorsque ces projets portent sur des sujets émergents, fondés sur de nouvelles collaborations : l’absence de résultats préliminaires rend leur évaluation et leur financement d’autant plus ardus.

C’est précisément là que le Grand Programme révèle toute sa pertinence. Il permet de lancer des projets à haut risque, innovants et disruptifs, avec des budgets initialement modestes. Grâce à ce dispositif, nous avons déjà pu financer cinq thèses et un post-doctorat. La seule condition imposée : chaque projet doit associer deux équipes issues de laboratoires différents du réseau Smart Waves. Une fois ces premières étapes franchies, il reviendra aux équipes de recherche de mobiliser des financements plus importants pour poursuivre et amplifier ces travaux.
Au-delà du soutien financier, ce Grand Programme a aussi pour ambition de créer un réseau pérenne. Pour y parvenir, nous organisons plusieurs événements et initiatives dont une journée Smart Waves, au cours de laquelle les laboratoires échangent autour de cette thématique ; la participation à un cours doctoral consacré aux ondes en milieux complexes ; ainsi que le cofinancement de professeurs invités. À terme, Smart Waves a vocation à faire émerger un véritable écosystème de collaborations et d’échanges entre les laboratoires de PSL travaillant sur les ondes.