Bruyères-le-Châtel, 8 décembre 2015 First Gogny Conference Modelling electromagnetic properties of chiral composite materials : Daniel’s contribution Frédéric MARIOTTE Directeur Adjoint CEA/DCS Tout d’abord, je tiens à m’excuser pour nos amis anglo-saxons de faire mon exposé en Français, les transparents seront quant à eux en anglais. Dans un premier temps, je voudrai remercier les organisateurs de m’avoir invité. C’est un vrai challenge, voir un risque avéré, d’inviter un responsable de la sécurité du pôle maîtrise des risques du CEA, qui n’a plus fait de sciences depuis un certain temps ! La vie de chacun est faite de rencontres qui orientent notre destinée tant personnelle que professionnelle. Je suis très ému aujourd’hui d’évoquer le souvenir de Daniel qui était non seulement un scientifique reconnu par ses pairs mais surtout un ami très cher pour moi. Ma rencontre avec Daniel au CESTA en 1990 a été décisive dans mon parcours. Permettez-moi aujourd’hui de lui rendre un hommage certes scientifique mais également personnel. Je connaissais Daniel de réputation et admirais son parcours exceptionnel que Jean Lachkar a rappelé ce matin et que nous allons tous évoquer tout au long de cette journée et de cette semaine. Clic Bruyères-le-Châtel, 8 décembre 2015

What is the chirality ? An objet is called chiral if it cannot be superimposed on its mirror image by translations or rotations A son arrivée au CESTA en 1990, en tant que conseiller scientifique de Marc Launois, à cette époque le Directeur du centre, Daniel s’est vite intéressé aux travaux que je menais sur les matériaux chiraux dans le cadre du projet furtivité. J’avais sur ce sujet de nombreuses coopérations avec les Etats-Unis, notamment avec l’Université de Pennsylvanie à Philadelphie. A cette époque, ayant obtenu une bourse de la DGA, je me préparais à passer un an dans le Département d’ Electrical Engineering de l’Université de Pennsylvanie dirigé par le professeur Nader Engheta. Quand Daniel fut informé de ce projet et de la date imminente de mon départ, il me dit amicalement : « p’tite tête, il faut que l’on travaille ensemble pour que tu sois bien prêt et bien formé avant de débarquer aux US ». Dans le cadre de mes recherches, il m’a guidé et encouragé à me remettre aux équations afin de résoudre analytiquement ce problème d’électromagnétisme. Je comprenais que les modèles que je développais, certes analytiques mais faisant appel à de nombreuses approximations ne lui convenait pas. Il en était de même des modèles numériques. Pour le jeune ingénieur que j’étais, sa compétence et son exigence ont été très formatrices. Revenons donc un peu à la chiralité. Un objet est chiral si on ne peut pas le superposer par translation ou rotation à son image dans un miroir. Quelques exemples d’objets chiraux : tout d’abord la main. N’oublions pas que le mot chiral vient du grec Kheir qui veut dire main. Démo avec la main et les ongles. D’autres objets chiraux sont ici, l’hélice simple dont nous nous servirons dans le cadre de nos modélisations. Les hélices à plusieurs tours, l’image dans un miroir d’une hélice à pas gauche est une hélice à pas droite. Nous ne pouvons pas les superposer par rotation ou par translation. clic The name chiral originates from the Greek “Kheir”, which means « hand ».

What is the statement of the problem ? Develop new radar absorbing materials. Use the bianistropic properties of chiral media : In the frequency domain, such media could be described by three complex parameters e, m et g. Develop models to predict the performance of chiral composite (conductive chiral inclusions in non-chiral host medium) : Compute the field scattered by a single chiral inclusion. Calculate the average properties of the isotropic chiral material. Quel était le problème qui allait nous mobiliser nuit et jour, week-end compris. Je reviendrai plus tard la dessus. Dès la fin des années 80 et le début des années 90, la DAM et plus particulièrement le CESTA était plongé dans le développent de nouveaux matériaux absorbants les ondes Radar. Au vue des nombreux travaux réalisés aux Etats-Unis, j’avais proposé d’étudier les propriétés bi-anisotropiques des matériaux chiraux. On entend par matériau chiral, un matériau hétérogène constitué de charges chirales, le plus souvent métalliques, réparties de façon isotrope dans un liant. La dimension des inclusions chirales n’est pas limitée, si elle reste petite devant la longueur d’onde, on peut parler de milieux effectifs. Les milieux chiraux de type « milieux effectifs » sont alors décrits par les équations constitutives suivantes : clic Où c et c représentent les permittivité et perméabilité du matériau et c le paramètre de chiralité qui décrit le couplage entre les champs électrique et magnétique. De tels milieux sont biréfringents, ils possèdent deux modes propres de propagation, une onde polarisée circulaire droite et une onde polarisée circulaire gauche. Les diverses modélisations développées pour ces nouveaux composites présentent deux étapes : Tout d’abord, nous étudions les propriétés d’une inclusion chirale, à savoir les densités de courant sur l’hélice, le champ diffusé par une hélice. Nous déterminons ensuite les paramètres effectifs du matériau composite constitué d’un ensemble d’hélices noyées dans un milieu hôte à pertes. clic

Daniel’s approach : analytical calculation Describe interactions between an electromagnetic wave and a single chiral inclusion (canonical helix : a loop with 2 wires). Numerical models. Simplified analytical models (dipole approximation). Full analytical method : Daniel's approach. Calculation of the scattered field based on an analytical solution to the integral equation for the surface current Js(r’) on the canonical helix (model applicable without any limitations of the particle dimensions with respect to the wavelength). with a analytical description of the Green Function Ga et Gb La première étape consistait donc à étudier l’interaction d’une onde électromagnétique avec une hélice canonique, composée d’une boucle et de deux brins, noyée dans un milieu isotrope à pertes. Pour ceci plusieurs modèles ont été développés, tant numériques qu’analytiques. La principale contribution de Daniel fut de souligner tout l’intérêt d’une méthode analytique avec le moins d’approximation possible, et de me pousser à m’engager à résoudre l’équation intégrale mentionnée sur le transparent. Que de jours à « taquiner » l’équation, comme il me le disait, en me faisant plancher sans relâche !! Je crois bien que cela l’amusait de me voir me débattre dans l’univers équationnel dans lequel il me replongeait en me traitant amicalement de « p’tite tête » ! Il pouvait m’appeler le weekend, nous commencions par dîner tous les quatre : Patricia, mon épouse Anne, et nous deux. Puis, nous nous isolions dans la soirée pour avancer sur nos équations. Cela nous a pris presque deux ans pour la résoudre, et obtenir une équation analytique du courant sur l’hélice avec le moins d’approximations possibles. L’essentiel était fait ! clic

Numerical Calculations Bien évidemment, les modèles analytiques présentaient l’avantage d’obtenir des résultats sous forme d’expressions analytiques, plus au moins compliquées, permettant des études paramétriques et des optimisations plus faciles. Cela permettait aussi une meilleure compréhension des phénomènes physiques. L’inconvénient majeur résidait dans le fait que nous ne pouvions modéliser des inclusions chirales que de cette géométrie : clic Notre modèle analytique avait une validité en fréquence limitée, à savoir la première fréquence de résonnance de l’hélice. Les calculs numériques présentés ici, me permettaient de prendre en compte d’autres types d’inclusions, mais aussi de valider les modèles analytiques développés, où une erreur de calcul était vite arrivée. Surtout ne dites pas à Daniel, que nous avons travaillé sur ces modèles numériques !!! clic

Validation of the model by measurements Je parlais de validation des modèles analytiques par des modèles numériques, mais nous les avons aussi validés par des mesures. Tout théoricien qu’il était, Daniel était aussi très intéressé par le volet expérimental. Surtout quand on parlait de mesures de l’extrême et ce fut le cas. C’était en effet une première au monde, on avait mesuré la diffusion vers l’arrière d’une hélice millimétrique dans une chambre anéchoïque de 12 mètres de long par 6 mètres de large et de hauteur, la chambre IRIS du CESTA. Sur la figure qui s’affiche : clic, on peut voir que les résultats qu’ils soient analytiques, numériques ou expérimentaux, ils se recoupent parfaitement. clic

Chiral composite modeling Calculate the constitutive parameters of a chiral composite with perfectly conducting randomly oriented helixes in a lossy matrix). Use of Maxwell-Garnett model for dilute distributions of inclusions. Daniel’s approach : calculation of the interaction between helices, but again using analytical models …… Les modèles développés pour simuler l’interaction d’une onde électromagnétique avec une hélice étant validés, nous avons modéliser le composite chiral en utilisant la théorie des milieux effectifs et plus particulièrement une loi de mélange de type Maxwell Garnett. Sur cette figure, nous comparons des résultats de mesures en réflexion sur un court circuit d’une plaque chirale avec les résultats donnés par notre modèle analytique, qui ne prenait pas assez en compte les interactions entres hélices. Daniel aurait bien aimé que l’on puisse travailler par la suite sur un modèle analytique traitant de l’interaction entre hélices. Hélas, nous n’en avons pas eu l’opportunité … clic

Daniel’s scientific impact Daniel Gogny was mentor of PhD students, post doc, visiting scientists, … All those studies, directed by Daniel Gogny, permitted to establish very fruitful scientific cooperation with : the electrical engineering department of University of Pennsylvania (headed by Nader Engheta), the electromagnetic laboratory of University of Illinois (directed by Raj Mittra), electrical and computer engineering department of the University of Arizona Tucson (Richard Ziolkowski), the Technical University of Saint-Petersburg (Sergei Tretyakov), … We organized together in may 1994, the 3rd International Workshop on Chiral, Bi-isotropic and Bi-anisotropic Media, Chiral'94 in Périgueux (France). He was co chairman of the scientific program with Fedor Fedorov (scientific academy of Belorussia). Daniel supported and promoted submissions of scientific publications in journals with an international committee of readers, to serve as reviewer of scientific papers, … Je finirai par évoquer le rayonnement scientifique que Daniel a eu sur tous les travaux réalisés par le CEAT dans le domaine de l’électromagnétisme. Il a encadré bon nombre de thésards, post-docs ou scientifiques invités. Il a permis de nouer ou d’apporter une caution scientifique à un grand nombre de coopérations dans le domaine des matériaux bi-anisotropiques et plus généralement en électromagnétisme. Je ne vais pas toutes les citer. En mai 1994, nous avons organisé ensemble le troisième International Workshop on Chiral, Bi-isotropic and Bi-anisotropic Media, Chiral'94 à Périgueux (France). Daniel avait accepté d’être le co-président du comité scientifique de ce workshop, présidence qu’il partagea avec Fedor Fedorov de l’Académie des Sciences de Biélorussie. Daniel encourageait de publier dans les meilleurs revues, d’être reviewer de publications scientifiques, participer aux jurys de thèses, et toutes autres actions qui contribuaient au rayonnement scientifique du CESTA. clic

Frédéric Mariotte Direction centrale de la sécurité Directeur Adjoint Thank you Daniel A ses cotés, j’ai beaucoup appris, avec rigueur, sans complaisance mais toujours avec humour et quelques pauses « whisky » récréatives !! Mon admiration pour Daniel a été un moteur et notre amitié a grandi au fil des années. Il a toujours suivi mon travail et m’a fait l’honneur d’accepter d’être dans mes jurys de thèse et de HDR. Nous avons partagé tellement de bons moments dans votre maison de Pessac, avec vous Patricia et Anne, mon épouse. Des discussions animées, une vision de la vie, des débats intéressants dans lesquels nous aimions nous confronter. Nous avons également eu le bonheur d’être Papa la même année et, ton arrivée, Jordan-Edouard, a permis d’accroitre encore notre complicité : il était très soucieux de votre avenir à tous les deux. Nous avons toujours gardé le contact, ses conseils (scientifiques et humains) ont souvent été précieux dans mes choix. Lors de ma dernière visite à Livermore, je me rappelle avoir trouvé Daniel changé et fatigué mais il n’avait rien perdu de sa vivacité intellectuelle et de son esprit de dérision. Daniel était pour nous tous : Un grand scientifique, Un mari et un père attentif, Pour certains un original, Et enfin un ami irremplaçable. En conclusion, j’aimais simplement vous dire que je considère Daniel comme véritable mon père scientifique. Je souhaite à chaque jeune ingénieur de pouvoir faire une telle rencontre dès le début de sa carrière. clic Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives Centre de Fontenay-aux-Roses | 92265 Fontenay-aux-Roses Cedex T. +33 (0)1 46 54 72 77| F. +33 (0)1 46 54 83 43 Etablissement public à caractère industriel et commercial | RCS Paris B 775 685 019 Frédéric Mariotte Direction centrale de la sécurité Directeur Adjoint CEA