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Invisibilité : les métamatériaux arrivent dans le visible

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Dans ce domaine en ébullition où il se passe quelque chose tous les mois et où l'on parle tranquillement d'invisibilité, une équipe américaine vient de franchir un cap : apporter dans le domaine de la lumière visible les extraordinaires propriétés des métamatériaux à indice de réfraction négatif, qu'on ne savait jusqu'ici exploiter que dans les micro-ondes.

C'est à une véritable course que se livrent les spécialistes mondiaux des métamatériaux, ces structures artificielles, périodiques, dont les propriétés électromagnétiques sont inconnues dans la nature. Il ne se passe plus un mois sans qu'un record tombe ou qu'un théoricien annonce de fracassantes prédictions. Parmi elles, la plus médiatisée est l'invisibilité, la cape d'Harry Potter s'invitant désormais régulièrement dans les revues scientifiques. Au mois d'octobre, l'équipe de David Smith, à la Duke University, parvenait à faire traverser sans déviation par des micro-ondes un métamatériau alors que celui-ci contenait un anneau de cuivre qui aurait dû les arrêter.

Il y a d'autres applications en vue, à commencer par des systèmes optiques à très haute résolution, laquelle ne serait plus limitée par la longueur d'onde de la lumière. Plus généralement, ces métamatériaux devraient permettre de contrôler les photons aussi bien que l'électricité dans les semi-conducteurs.

Mais pour cela, il fallait que ces fameux métamatériaux manifestent leurs propriétés extraordinaires dans le domaine de la lumière visible et non dans celui des micro-ondes comme c'était le cas jusqu'à présent. C'est fait ! Cet été, Costas Soukoulis avait promis qu'il y parviendrait. Il a tenu parole. Lui et son équipe du laboratoire Ames, aux Etats-Unis, viennent d'annoncer qu'ils tenaient un métamatériau fonctionnant à 780 nanomètres, c'est-à-dire la longueur du rouge. Son équipe, qui collabore avec des scientifiques allemands de l'université de Karlsruhe, l'a réalisé en gravant des trous de 100 nanomètres dans une couche d'argent et de fluorure de magnésium.

Sa propriété principale est un indice de réfraction négatif, la plus recherchée actuellement. La déviation d'un rayon lumineux qui pénètre ou qui sort de ce matériau est très forte.

Quand un rayon lumineux franchit l'interface entre deux milieux d'indices de réfraction différents, il est dévié d'un petit angle (figure de gauche). Si le second milieu est d'indice de réfraction négatif, le rayon réfracté repart du même côté que le rayon incident, par rapport à la perpendiculaire à l'interface (figure de droite). Crédits : Futura Sciences

Pour réaliser un tel métamatériau, il faut construire une structure composée d'un grand nombre de minuscules motifs identiques, dont les dimensions sont de l'ordre de la longueur d'onde pour laquelle l'indice de réfraction sera négatif. Conclusion : il est plus facile de réaliser un métamatériau agissant sur les ondes radio ou les micro-ondes que sur la lumière, de longueur beaucoup plus courte.

Que se passe-t-il sous la cape d'Harry Potter ?

Après cette belle réalisation de l'équipe germano-américaine, le concours continue. Au mois de décembre 2006, Allan Greenleaf, professeur de mathématique à l'université de Rochester (Etat de New-York), a étudié comment les équations de Maxwell pouvaient décrire ce phénomène. Après avoir expliqué la disparition de l'anneau de cuivre de David Smith, le mathématicien s'est demandé ce qui se passe à l'intérieur de la « cape » (cloak> en anglais), puisque c'est désormais le terme consacré par les scientifiques pour désigner la zone d'invisibilité. D'après lui, sous sa cape, Harry Potter est entouré par un miroir. S'il éclaire devant lui, la lumière de la lampe sort de la zone d'invisibilité derrière lui.

Allan Greenleaf a ensuite fait tourner ses équations pour comprendre ce qu'il adviendrait si, sous sa cape, Harry voulait téléphoner avec son portable. Il risquerait, dit le mathématicien, de briser l'invisibilité. Enfin, Allan Greenleaf a fait une prédiction : il est possible, sur le plan théorique au moins, de limiter l'invisibilité pour une certaine plage de longueur d'onde.

Il ne reste plus qu'à passer à la pratique. Rendez-vous le mois prochain ?