Les lentilles que l’on trouve aujourd’hui, entre autres dans les téléobjectifs de nos appareils photo, sont lourdes et encombrantes. Cela pourrait changer grâce à la découverte d’une équipe de chercheurs américains. © Triff, Shutterstock

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Métamatériau : une lentille plane et ultrafine pour les téléphones du futur

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Plus fin qu'une feuille de papier, un réseau de nanostructures devient une lentille grossissante avec un pouvoir de résolution en principe interdit par la théorie. C'est la magie des métamatériaux, jusque-là coûteux à mettre en œuvre. Des chercheurs américains viennent de réaliser une telle « superlentille » avec un matériau commun (le dioxyde de titane) et une technique de fabrication connue. De quoi réaliser des objectifs ultraplats, par exemple pour les téléphones.

Depuis quelques années, les chercheurs espèrent mettre au point une lentille capable de dépasser la résolution spatiale d'un système optique classique. Comment ? En s'appuyant sur les propriétés surprenantes des métamatériaux. Et dans le dernier numéro de Science, des chercheurs de la SEAS (Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences) annoncent avoir touché au but. Ils ont conçu une lentille plane agissant sur toute la gamme du spectre visible et dont la résolution (la distance minimale entre deux points distinguables) est inférieure à la longueur d’onde de la lumière visible.

Rappelons que les lentilles classiques présentent une forme incurvée et qu'il est parfois nécessaire d'en empiler plusieurs pour réduire les distorsions et produire des images nettes et claires. Résultat : des instruments lourds, encombrants et délicats à fabriquer. L'idéal serait de les remplacer par des superlentilles, planes et ultraminces, construites à partir de métamatériaux, des matériaux composites artificiels qui présentent des propriétés différentes de celles que peuvent offrir des matériaux homogènes.

La superlentille conçue par les chercheurs de Harvard se compose d’un réseau de nanostructures de dioxyde de titane posé sur un substrat de verre. © Capasso Lab, Harvard

Une superlentille à base de dioxyde de titane

Pour focaliser aussi bien la lumière rouge que la lumière bleue ou verte, les auteurs de cette étude ont cherché un matériau qui n'absorberait ni ne diffuserait cette lumière, qui la concentrerait fortement, avec un indice de réfraction élevé. Et pour que leur technologie ne reste pas confinée au laboratoire, ils se sont tournés vers un matériau déjà largement utilisé dans l'industrie : le dioxyde de titane. On le trouve en effet un peu partout, de la peinture aux crèmes solaires.

L'équipe est parvenue à mettre au point un réseau de nanostructures - déposées sur un substrat en verre - capable de résoudre des images plus petites que la longueur d'onde de la lumière, de l'ordre de 400 nanomètres. Une prouesse que l'on pensait, jusqu'à récemment, interdite par la limite de diffraction. Le principe longtemps admis veut qu'un système optique ne puisse visualiser des détails dont les dimensions sont inférieures à la longueur d'onde de la lumière avec laquelle on les observe. Mais, dans la théorie, cette limite peut être franchie, en partie grâce à l'indice de réfraction négatif que présentent les métamatériaux.

La superlentille qu'ils ont développée présente en plus l'avantage d'être facile à produire grâce à de simples méthodes de lithographie. Et elle est particulièrement légère et peu encombrante. Elle serait même « plus mince qu'une feuille de papier », se vantent les chercheurs de la SEAS. De quoi l'utiliser pour la conception de casques de réalité virtuelle ou de réalité augmentée mais aussi pour les lentilles de contact, les téléphones ou les futurs télescopes spatiaux.