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Nouveau record de réfraction négative grâce aux méta-matériaux

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Faire voyager la lumière en sens inverse, à des vitesses négatives. Tel est le but du physicien Costas Soukoulis, de l'université de l'Iowa, et de nombre de ses collègues à travers le monde. Pour ce faire, il convient d'utiliser des méta-matériaux au comportement exotique.

Dans la course aux petites longueurs d'ondes, l'équipe de Soukoulis est récemment parvenue à une avancée notable : concevoir un matériau qui présente un indice négatif à la longueur d'onde de 1,5 micromètre. Un exploit !

Les méta-matériaux ont un singulier pouvoir sur la lumière En particulier, ils peuvent bénéficier d'un indice de réfraction négatif (Crédits : Nonlinear Physics Centre )

De l'avis de Costas Soukoulis, de l'université de l'Iowa, inverser le parcours de la lumière et la faire voyager à une vitesse qui semble dépasser les 299.792.458 mètres par seconde, c'est un peu comme réécrire l'électromagnétisme et modifier les lois de Snell-Descartes. Autant dire qu'il s'agit là d'un champ d'exploration riche et passionnant.

Les physiciens ne parviennent pas à jouer de la sorte avec la lumière en ayant recours à des matériaux naturels. Cette prouesse repose sur l'utilisation de matériaux artificiels, aux propriétés exotiques, qui portent le nom de méta-matériaux. Parmi les caractéristiques singulières de ces matériaux composites artificiels figure notamment leur capacité à présenter un indice de réfraction négatif : tandis que les composés naturels réfractent un faisceau incident en lui faisant décrire un angle vers la droite, les méta-matériaux peuvent le réfracter avec un angle négatif, et le faire ainsi émerger plus à gauche. Cette propriété leur confère de grands avantages lorsqu'il est question de concevoir des lentilles haute résolution.

Mettre au point un méta-matériau apte à réfracter de la sorte la lumière visible - des longueurs d'ondes comprises entre 400 et 700 nanomètres - est l'un des buts principaux des scientifiques oeuvrant dans ce domaine de la physique. Hélas, à l'heure actuelle, les méta-matériaux ne présentent un indice de réfraction négatif que pour des micro-ondes (de 1 millimètre à 10 centimètres) ou le lointain infrarouge.

L'équipe menée par Costas Soukoulis a fait un nouveau pas vers la lumière visible en faisant explorer à ses méta-matériaux un domaine encore inconnu, le proche infrarouge. Ainsi, pour la première fois, des chercheurs sont parvenus à descendre jusqu'au pallier de 1,5 micromètre !

Parallèlement à cet exploit, les physiciens ont montré que la vitesse de phase et la vitesse de groupe étaient toutes deux négatives. Ceci renforce l'espoir de voir une onde réfractée « aller à reculons » et dépasser la vitesse communément admise de la lumière. « Ce serait due à la dispersion de l'indice négatif de réfraction. Rien ne viendrait contredire la théorie d'Einstein de la relativité », explique Costas Soukoulis.

L'une des applications possibles des méta-matériaux est la conception d'une cape d'invisibilité, qui verrait la lumière couler autour des objets et les faire disparaître à notre vue. Un tour de magie qui pourrait bientôt entrer dans le monde de la physique !