L'invisibilité rendue plus facile

Au cours de la dernière année, les médias ont été en effervescence à propos d'une classe exotique de matériaux, appelés métamatériaux, qui pourraient être utilisés pour fabriquer des lentilles plates et sans distorsion, des microscopes puissants et même des dispositifs de dissimulation qui rendent les objets invisibles. Mais des versions des matériaux adaptées aux applications pratiques ont été difficiles à réaliser. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Princeton ont démontré des métamatériaux à la fois plus performants et beaucoup plus faciles à fabriquer, rapprochant peut-être ces applications de la réalité.

Lumière de courbure : Un nouveau type de matériau fait bouger les ondes lumineuses (représentées par des ovales) d'une manière complètement différente de la façon dont elles se déplacent dans les matériaux ordinaires.

C'est une étape assez importante, dit Igor Smolyaninov , un chercheur à l'Université du Maryland qui travaille avec les métamatériaux. C'est beaucoup moins cher que tout ce que les gens font.

La lumière passant d'un matériau ordinaire à un autre se courbe légèrement – ​​pensez à l'apparence d'un bâton droit dans l'eau – mais la lumière passant dans un métamatériau se courbe dans la direction opposée. Les métamatériaux ont donc ce qu'on appelle un indice de réfraction négatif. Un objectif fabriqué à partir d'un tel matériau n'aurait pas besoin d'être incurvé. (C'est la courbure d'une lentille ordinaire qui lui permet de focaliser la lumière entrante.) Les métamatériaux pourraient également être utilisés pour acheminer des ondes électromagnétiques autour d'un objet, le rendant invisible. Déjà, des chercheurs ont démontré un dispositif de dissimulation qui rend les objets invisibles aux micro-ondes, et d'autres ont créé des matériaux qui réfractent négativement les ondes électromagnétiques dans la partie visible du spectre électromagnétique. Mais jusqu'à présent, les métamatériaux devaient être modelés avec des formes complexes plus petites que la longueur d'onde de la lumière qu'ils sont censés manipuler. Par conséquent, les matériaux qui fonctionnent avec la lumière de longueurs d'onde microscopiques, telles que la lumière infrarouge et visible, ont été difficiles à fabriquer. En raison de la manière dont ils produisent une réfraction négative, les métamatériaux existants ont également eu une forte tendance à absorber la lumière, ce qui les rend peu pratiques pour une utilisation en optique.

Les matériaux développés à Princeton conservent la propriété de réfraction négative, mais ils sont beaucoup plus faciles à fabriquer. Plutôt que de nécessiter des structures complexes, telles que les anneaux fendus utilisés dans le dispositif d'occultation par micro-ondes, les matériaux peuvent être fabriqués simplement en empilant des couches extrêmement minces de matériau semi-conducteur. De plus, cet empilement peut être effectué par les mêmes outils que ceux actuellement utilisés pour fabriquer des matériaux semi-conducteurs pour les lasers utilisés dans les télécommunications, explique Claire Gmachl , le chercheur de Princeton qui a dirigé les travaux. Les nouveaux matériaux sont constitués de couches alternées d'arséniure d'indium et de gallium et d'arséniure d'aluminium et d'indium, et ils sont réglés pour fonctionner dans la région infrarouge du spectre.

Comme d'autres métamatériaux, les nouveaux matériaux affectent la lumière différemment des matériaux ordinaires, car ils sont constitués de structures nettement plus petites que la longueur d'onde de la lumière qui les traverse. Dans ce cas, cependant, ce sont les couches de semi-conducteurs elles-mêmes qui sont plus fines que la longueur d'onde de la lumière. Par conséquent, une onde traversant le matériau rencontre plusieurs couches à la fois, y répondant comme s'il s'agissait d'un seul matériau avec des propriétés assez différentes de celles de l'un ou l'autre des semi-conducteurs isolément.

Ce qui rend les nouveaux matériaux différents des métamatériaux précédents, c'est qu'au lieu de changer deux aspects du mouvement de la lumière, ils n'en changent qu'un. Si la lumière est considérée comme une onde, le front d'onde est perpendiculaire à la direction dans laquelle la lumière se déplace. Imaginez une vague océanique s'écrasant sur le rivage : elle se déplace dans une seule direction, mais le front de vague est un immense mur d'eau. Les métamatériaux précédents modifiaient la direction des faisceaux lumineux qui les traversaient et le front d'onde restait perpendiculaire à la direction du faisceau. Dans les nouveaux matériaux, le faisceau lumineux change de direction, mais pas les fronts d'onde, donnant l'impression qu'ils glissent sur le côté plutôt que d'avancer. (Voir l'image ci-dessous.)

Lorsqu'un faisceau lumineux traverse un matériau ordinaire, il se déplace dans la même direction que les ondes lumineuses (partie supérieure de l'image). Lorsqu'un faisceau lumineux pénètre dans un nouveau type de métamatériau, il change de direction, mais les ondes restent orientées dans le même sens, semblant glisser latéralement (voir la moitié inférieure de l'image). Cette image est issue d'une simulation informatique.
Crédit : Anthony Hoffman, Université de Princeton

L'effet global sur la direction du faisceau lumineux est le même que dans le métamatériau précédent, mais les nouveaux matériaux sont plus simples à créer et ils absorbent beaucoup moins de lumière, ce qui les rend plus attrayants pour une utilisation en optique.

La première application que les chercheurs de Princeton développent est une lentille plate pour les dispositifs de détection chimique, une application pour laquelle les matériaux qui fonctionnent avec la lumière infrarouge sont particulièrement bien adaptés. Gmachl dit que les configurations optiques actuelles pour de tels appareils sont encombrantes car elles utilisent des objectifs conventionnels. La première application consisterait à utiliser ce matériau pour miniaturiser les configurations optiques en remplaçant les lentilles incurvées par des lentilles plates, dit-elle.

Une autre application précoce pourrait concerner les appareils de vision nocturne, qui fonctionnent également avec des longueurs d'onde infrarouges. Pour les personnes qui souhaitent améliorer les appareils de vision nocturne, cela pourrait être très intéressant, explique Smolyaninov.

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