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Invisibilité - Percée de cape
Les métamatériaux interagissent avec la lumière d'une manière qui semble violer les lois de la physique. Ils peuvent courber la lumière autour d'un objet comme s'il n'y était pas, ou réduire la résolution des microscopes optiques à quelques nanomètres. Mais les métamatériaux doivent être minutieusement structurés à l'échelle nano et micro afin d'obtenir ces effets exotiques. Aujourd'hui, le chercheur de l'Université Duke qui a construit la première cape d'invisibilité en 2006 a créé un logiciel qui accélère la conception de métamatériaux. Lui et ses collègues ont utilisé le programme pour construire une cape lumineuse complexe qui est invisible à une large bande de lumière micro-ondes - et ils l'ont fait en seulement 10 jours environ.
Maintenant vous le voyez : Un nouveau dispositif qui peut rediriger le rayonnement micro-ondes est composé d'environ 600 structures de cuivre en forme de I et fonctionne sur un large spectre.
David R. Smith du duc et Tai Jun Cui de l'Université du Sud-Est, à Nanjing, en Chine, a dirigé les travaux, qui constituent un jalon dans le domaine des métamatériaux. La cape que les chercheurs ont construite fonctionne avec des longueurs d'onde de lumière allant d'environ 1 à 18 gigahertz, une fauchée aussi large que le spectre visible. Personne n'a encore fabriqué un dispositif de dissimulation qui fonctionne dans le spectre visible, et les métamatériaux qui ont été fabriqués ont tendance à ne fonctionner qu'avec des bandes de lumière étroites. Mais une cape qui rendrait un objet invisible à la lumière d'une seule couleur ne serait pas d'une grande utilité. De même, un dispositif de dissimulation ne peut pas se permettre d'être avec perte : s'il laisse juste un peu de lumière se refléter sur l'objet qu'il est censé masquer, il n'est plus efficace. La cape que Smith a construite est à très faible perte, redirigeant avec succès presque toute la lumière qui la frappe.
Leur cape… répond aux opposants qui ont prédit que les capes seraient toujours à bande étroite et à perte, dit John Pendry , titulaire de la chaire de physique théorique du solide à l'Imperial College de Londres. Pendry a effectué le travail théorique sur lequel reposent à la fois la première cape d'invisibilité et son nouveau successeur. Inutile de dire que je suis ravi de cette évolution, déclare Pendry. Lui et son collègue de l'Imperial College Jensen Li a proposé une version théorique d'une cape à large bande l'année dernière, et à ce moment-là, dit-il, il ne s'attendait pas à des progrès expérimentaux aussi rapides.
La cape à large bande est une structure rectangulaire mesurant environ 50 sur 10 centimètres, avec une hauteur d'environ 1 centimètre. Il est composé d'environ 600 structures en cuivre en forme de I. Faire chaque structure est une affaire simple, dit Smith. Ce sont des motifs en cuivre sur un circuit imprimé, découpés et disposés. C'est une technologie bien connue et peu coûteuse. Le plus dur est de déterminer les dimensions de chacune de ces 600 structures et comment les disposer. Avec la première cape légère, qui ne comportait que 10 de ces pièces, nous avons dû concevoir chaque élément par des simulations numériques, explique Smith. Appliquer la même approche à la cape plus compliquée aurait mangé des mois.
Même pour les physiciens et les ingénieurs, les mathématiques impliquées dans la conception théorique des dispositifs de dissimulation sont très difficiles, dit Nicolas Croc , professeur de sciences mécaniques et d'ingénierie à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. La façon dont un matériau interagit avec les composants magnétiques et électriques de la lumière est prise en compte pour déterminer la taille, la forme et l'orientation de chaque structure dans un métamatériau. Les travaux théoriques de Pendry et Li ont décrit comment fabriquer une cape à large bande en utilisant des matériaux structurés de manière à avoir une réponse électrique à la lumière, mais pas magnétique. Mais il n'était pas clair comment mettre cette idée en pratique. Les chercheurs de l'Université du Sud-Est ont développé de nouveaux algorithmes pour accélérer considérablement le processus, explique Smith. Ces algorithmes permettent de prédire rapidement comment une structure de forme particulière va interagir avec la lumière.
La cape elle-même, décrite cette semaine dans La science , est en effet impressionnant, déclare Fang, qui travaille sur des métamatériaux pour l'imagerie biologique à super-résolution . Mais ce qui est plus excitant, c'est que la nouvelle approche de la conception accélérera le développement d'autres métamatériaux. Smith dit que lui et son groupe ont déjà dépassé la cape rapportée dans La science , mais parce que leur dernier travail est inédit, il ne peut pas préciser ce qu'ils ont fait. Maintenant [que] cela devient une technologie plus réalisable, dit-il, nous commencerons à en voir beaucoup plus.
D'autres applications des métamatériaux, dit Smith, incluent les dispositifs optiques qui prennent l'énergie lumineuse et la concentrent, au lieu de la détourner - conceptuellement, le contraire d'une cape. Vous pourriez améliorer les cellules solaires en créant des structures pour augmenter l'intensité du champ de la lumière, dit-il. Les nouveaux travaux suggèrent que cela pourrait être fait sur tout le spectre des longueurs d'onde trouvées dans la lumière du soleil. De même, les hyperlentilles à large bande qui captent la lumière manquée par les lentilles normales pourraient révolutionner l'imagerie biologique. Fang et d'autres ont développé des hyperlentilles à bande étroite avec des résolutions de quelques nanomètres seulement, qui rendent le fonctionnement moléculaire des cellules visible. Un hyperlentille à large bande pourrait fonctionner avec toutes les couleurs de lumière visible et infrarouge.
L'objectif ultime, dit Pendry, est de se dissimuler dans le spectre de la lumière visible, et les derniers travaux de Smith montrent la voie à suivre. Il n'y a pas d'obstacles insurmontables pour faire fonctionner une cape aux fréquences optiques, dit Pendry. L'article de Duke rapproche cet objectif.