Les métamatériaux : premiers pas vers la cape d’invisibilité ?

Devenir invisible à volonté est une capacité qui a depuis longtemps intrigué l’Homme à travers de nombreux romans ou films de science-fiction. L’Anneau unique de Sauron ou la cape d’invisibilité d’Harry Potter permettent au porteur de ne pas être vu. Je vais vous montrer qu’avec l’innovation en optique, les métamatériaux pourraient être une première étape vers cette fameuse cape d’invisibilité.

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Dans la nature,  d’autres techniques de dissimulation sont déjà présentes :

• Les caméléons pratiquent le camouflage avec leurs cellules appelées iridophores. Ces cellules spécialisées contiennent des nanocristaux de guanine transparente qui réfléchissent certaines longueurs d’onde de la lumière et permettent au caméléon de changer de couleur.
• Les trous noirs absorbent tout ce qui les entoure (y compris la lumière) et ils déforme l’espace-temps ce qui les rend difficilement détectable.

Un objet est invisible s’il n’absorbe ni ne diffuse de la lumière. La lumière « passe à travers lui ».

Le principe de la cape d’invisibilité

L’idée est de modifier la direction de rayons lumineux afin qu’ils évitent/se diffusent autour d’une zone particulière, qui sera l’endroit invisible et caché, sans changer sa propagation dans le reste de l’espace. Cela se fera en mimant une déformation d’une portion de l’espace avec des calculs de transformations optiques.. La transformation optique consiste à prendre un point de l’espace que l’on élargit et assimile à une sphère, c’est-à-dire qu’il faut modifier les propriétés électromagnétiques d’un espace donné pour transformer la façon dont les ondes se propagent à l’intérieur. Les rayons lumineux contourneront ce point/sphère, où se trouvera l’objet que l’on veut cacher. C’est là où les métamatériaux interviennent avec leurs propriétés électromagnétiques étonnantes.

Qu’est-ce que la lumière, une onde électromagnétique ?

La lumière peut être perçu à la fois comme une onde (ex : les ondes électromagnétiques ou les ondes radios) et à la fois comme un photo (une particule). On parle de dualité ondulatoire et corpusculaire de la lumière. La lumière visible représente une petite partie du spectre des longueurs d’onde. Une onde électromagnétique, comme la lumière, est produite par une variation d’un champ électrique (le mouvement de l’électron) associé à une variation d’un champ magnétique (créé par le mouvement de l’électron). Chaque onde électromagnétique est définie par sa longueur d’onde. La longueur d’onde correspond  à la distance entre deux maxima d’amplitude consécutifs.

Qu’est-ce qu’un métamatériau ?

Le concept de métamatériaux provient du physicien russe Victor Veselago dans les années 1960, mais ils n’ont pu être construits en vrai que récemment. Les métamatériaux sont des matériaux artificiels qui peuvent courber et dévier les ondes (lumineuses ou sonores ou mécaniques). Ces matériaux comportent des éléments de petites tailles répétés et séparés par une distance périodique souvent inférieure à la longueur d’onde formant un réseau particulier, ce  qui leur confère des propriétés optiques étonnantes. Ces petits éléments répétés sont souvent composés de deux résonateurs conducteurs en or ou en argent imbriqués en forme d’anneau fendu (Split Ring Resonator = SRR) dans une cellule. Ces cellules sont ensuite assemblées en motif périodique sur un support. Ces sous-ensembles permettent de dévier la lumière de façon anormalement naturelle. Leurs propriétés électromagnétiques dépendent de leur agencement. Lorsqu’une onde électromagnétique arrive sur le SRR, elle induit un courant électrique dans chacun des anneaux, ce qui crée en retour, par induction, un champ magnétique.

Actuellement, cette cape d’invisibilité n’a été construite avec des métamatériaux que pour des grandes longueurs d’onde (celle du microonde de l’ordre du cm/mm et celle de l’infrarouge μm) à cause de difficultés de réalisation et de construction : en effet plus la longueur d’onde est petite, plus la structure des métamatériaux doit être petite.

Des matériaux à indice de réfraction négatif

En optique, un rayon lumineux avance en ligne droite à une vitesse constante dépendant du milieu. En passant à travers les atomes de la matière, la lumière interagit avec ses atomes ce qui ralentit la propagation de celle-ci. En effet, les ondes changent de vitesse quand elles changent de milieu. Habituellement quand un rayon lumineux traverse un milieu il en ressort sous forme de rayon transmis/réfracté et en un rayon réfléchi selon la loi de Snell-Descartes :  n₁ sin(ϴ₁) = n₂ sin(ϴ₂)

L’indice de réfraction en optique caractérise le comportement de la lumière dans un milieu. L’indice de réfraction est supérieur à 1 généralement (le vide a pour indice 1). La réfraction est due à un changement de vitesse de la lumière à travers différents milieux

Cet indice de réfraction dépend de la permittivité électrique relative et de la perméabilité magnétique du milieu traversé. Les constantes de la permittivité et de la perméabilité   d’un milieu déterminent la dynamique de la propagation d’une onde dans un milieu.  La permittivité électrique ε dépend de la force d’interaction entre le champ électrique et les dipôles électriques des atomes (un dipôle électrique contient une charge positive et une charge négative séparés par une distance non nulle). La perméabilité μ est  reliée  à  la  force  d’interaction  entre  le  champ  magnétique  et  les  dipôles  magnétiques. Habituellement, ces deux paramètres ont une valeur plus grand ou égale à un.

Les métamatériaux ont la particularité d’avoir une permittivité et une perméabilité négatives, c’est pourquoi leur indice de réfaction est négatif. L’indice négatif crée une 3^ème possibilité de trajectoire du rayon lumineux (cf le schéma ci-dessous). Cela permet donc à la lumière d’emprunter des chemins inhabituels comme pour contourner l’objet que l’on veut cacher.

Les applications et les limites

Les principales applications seraient la fabrication de composants plus compacts et petits, une hypothétique cape d’invisibilité et l’imagerie et les « superlentilles ». Ils permettent d’améliorer fortement la résolution des lentilles. Ils permettant d’avoir une image nette à partir d’une lentille plane au lieu des lentilles ordinaires biconcaves, ce qui permet de s’affranchir des aberrations sphériques (du flou) liées à la biconcavité des lentilles.

Les limites actuelles sont :

• les difficultés de réalisation technique pour son application dans le domaine de la lumière visible, puisqu’il faut une périodicité des sous-éléments de l’ordre du nanomètre.
• avoir un métamatériau sur un support souple au lieu d’un support rigide pour pouvoir enrober un objet.
• le coût technologique de fabrication

Sources ou si vous voulez retrouver les équations d’électromagnétique 😉 :

Ben Wood – Metamaterials and invisibility –  Comptes Rendus Physique Volume 10, Issue 5, June 2009, Pages 379-390 – http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1631070509000243

Xingjie Ni et al. – An ultrathin invisibility skin cloak for visible light – Science  18 Sep 2015: Vol. 349, Issue 6254, pp. 1310-1314http://science.sciencemag.org/content/349/6254/1310

University Purdue – Transforming light with Metamaterials

Université de Nice – Métamatériaux à indice négatif http://physique.unice.fr/sem6/2006-2007/PagesWeb/Metamateriaux/presentation.html

CNRS – Les capes d’invisibilité et l’optique transformationnelle http://www.cnrs.fr/publications/imagesdelaphysique/couv-PDF/IdP2010/06_Capes_invisibilite.pdf

CNRS Le journal – Métamatériaux : l’invisibilité réinventée https://lejournal.cnrs.fr/articles/metamateriaux-linvisibilite-reinventee