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Rapprocher les capes d'invisibilité
Dans une étape importante vers le développement de capes d'invisibilité pratiques, les chercheurs ont conçu deux nouveaux matériaux qui courbent la lumière de manière entièrement nouvelle. Ces matériaux sont les premiers à fonctionner dans la bande optique du spectre, qui englobe la lumière visible et infrarouge ; les matériaux de camouflage existants ne fonctionnent qu'avec des micro-ondes. De telles capes, longtemps représentées dans la science-fiction, permettraient aux objets, des avions de guerre aux personnes, de se cacher à la vue de tous.
Filet invisible : Un nouveau matériau qui peut plier la lumière proche infrarouge d'une manière unique a une structure en résille. Ces images d'un prisme fabriqué à partir du matériau ont été prises avec un microscope électronique à balayage. Les trous dans le filet permettent au matériau d'interagir avec le composant magnétique de la lumière, ce qui permet une courbure inhabituelle et démontre sa promesse d'utilisation dans les futures capes d'invisibilité. Dans l'encart, les couches de métal et de matériau isolant qui composent le métamatériau sont visibles.
Les deux matériaux, décrits séparément dans les revues La science et La nature cette semaine, présentez une propriété appelée réfraction négative qu'aucun matériau naturel ne possède. Lorsque la lumière traverse les matériaux, elle se replie vers l'arrière. Un matériau fonctionne avec la lumière visible ; l'autre a été démontré avec la lumière proche infrarouge.
Les matériaux, créés dans le laboratoire de l'Université de Californie, Berkeley, ingénieur Xiang Zhang , pourrait montrer la voie vers des capes d'invisibilité qui protègent les objets de la lumière visible. Mais Steven Cummer , un ingénieur de l'Université Duke impliqué dans le développement de la cape à micro-ondes, prévient qu'il y a un long chemin à parcourir avant que les nouveaux matériaux puissent être utilisés pour la cape. Les matériaux de camouflage doivent guider la lumière d'une manière très précisément contrôlée afin qu'elle circule autour d'un objet, se reformant de l'autre côté sans distorsion. Les matériaux de Berkeley peuvent courber la lumière de la manière fondamentale nécessaire à la dissimulation, mais ils nécessiteront une ingénierie supplémentaire pour manipuler la lumière afin qu'elle soit soigneusement dirigée.
L'un des nouveaux matériaux Berkeley est composé d'une alternance de couches de métal et d'un matériau isolant, tous deux percés d'une grille de trous carrés. L'épaisseur totale de l'appareil est d'environ 800 nanomètres ; les trous sont encore plus petits. Ces couches empilées forment des boucles de courant électrique qui répondent au champ magnétique de la lumière, permettant ses propriétés de flexion uniques, dit Jason Valentin , un étudiant diplômé du laboratoire de Zhang. Les matériaux naturels, en revanche, n'interagissent pas avec la composante magnétique des ondes électromagnétiques. En modifiant la taille des trous, les chercheurs peuvent accorder le matériau à différentes fréquences de lumière. Jusqu'à présent, ils ont démontré une réfraction négative de la lumière proche infrarouge à l'aide d'un prisme fabriqué à partir du matériau.
Les chercheurs essaient de créer de tels matériaux depuis près de 10 ans, depuis qu'il leur est venu à l'esprit qu'une réfraction négative pourrait en fait être possible. D'autres chercheurs n'ont été capables de créer que des couches simples trop minces – et beaucoup trop inefficaces – pour les applications d'appareils. Le matériau Berkeley est environ 10 fois plus épais que les conceptions précédentes, ce qui permet d'augmenter la quantité de lumière qu'il transmet tout en le rendant suffisamment robuste pour servir de base à de vrais appareils. Cela se rapproche des dispositifs nanométriques réels, dit Cummer à propos du prisme de Berkeley.
Le second matériau est constitué de nanofils d'argent noyés dans de l'aluminium. Le support nanofil fonctionne comme des faisceaux de fibres optiques, donc en principe, c'est assez différent, dit Nicolas Croc , professeur de sciences mécaniques et d'ingénierie à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champagne, qui n'a pas participé à la recherche. La structure de grille en couches ne fait pas que plier la lumière dans le sens négatif ; cela le fait également reculer. La lumière transmise à travers la structure des nanofils se plie également dans le sens négatif, mais sans reculer. Comme le travail en est encore à ses débuts, on ne sait pas quel métamatériau optique fonctionnera le mieux et pour quelles applications. Peut-être que les futures solutions mélangeront ces deux approches, dit Fang.
Faire une cape d'invisibilité posera de grands défis d'ingénierie. D'une part, les chercheurs devront agrandir le matériau même pour masquer un petit objet : les dispositifs de dissimulation à micro-ondes existants et les conceptions théoriques pour les masques optiques doivent comporter plusieurs couches d'épaisseur afin de guider la lumière autour des objets sans distorsion. La fabrication de matériaux pour le camouflage par micro-ondes était plus facile car ces longueurs d'onde peuvent être contrôlées par des caractéristiques structurelles relativement importantes. Pour guider la lumière visible autour d'un objet, il faudra un matériau dont la structure est contrôlée à l'échelle nanométrique, comme ceux fabriqués à Berkeley.
Le développement de dispositifs de dissimulation peut prendre un certain temps. A court terme, les matériaux de Berkeley sont susceptibles d'être utiles en télécommunications et en microscopie. Les guides d'ondes à l'échelle nanométrique et autres dispositifs fabriqués à partir de ces matériaux pourraient surmonter l'un des principaux défis de la réduction des communications optiques au niveau de la puce : permettre un contrôle précis des flux parallèles de lumière riche en informations sur la même puce afin qu'ils n'interfèrent pas les uns avec les autres. Et les nouveaux matériaux pourraient aussi éventuellement être développés en lentilles pour microscopes optiques. Les soi-disant superlentilles pour contourner les limitations de résolution fondamentales sur les microscopes optiques ont été développées par Fang et d'autres, révélant le fonctionnement de molécules biologiques avec une résolution à l'échelle nanométrique en utilisant la lumière ultraviolette, qui endommage les cellules vivantes à fortes doses. Mais il n'a pas été possible de fabriquer des superlentilles qui fonctionnent dans les parties visibles et proche infrarouge du spectre, riches en informations et adaptées aux cellules.