Une lentille plate pour projeter des images en 3D

En 2006, les métamatériaux sont devenus brutalement célèbres lorsqu'il a été annoncé que l'on était capable de rendre invisibles certains objets fabriqués avec eux. Toutefois, il s'agissait d'une classe particulière de métamatériaux et l'invisibilité n'était réelle que dans le domaine des micro-ondes. Même si l'on a fait des progrès depuis lors pour se rapprocher des longueurs d'ondelongueurs d'onde du domaine visible, on ne dispose par encore des techniques d'invisibilité qui font rêver les amateurs de science-fiction.

Que sont les métamatériaux ? En gros, il s'agit de matériaux composites artificiels étudiés essentiellement après la seconde guerre mondiale, et destinés initialement à manipuler les micro-ondes. Ces matériaux ont diverses propriétés électromagnétiques non présentes dans la nature, comme une impédance infinie ou une permittivité relativepermittivité relative inférieure à 1.

Les métamatériaux qui ont défrayé la chronique en octobre 2006 à la suite des travaux de David R. Smith et son équipe de l'université Duke ont été découverts théoriquement en 1967 par Victor Veselago, physicienphysicien russe d'origine ukrainienne.

Né en 1929, le physicien russe Victor Veselago est célèbre pour avoir été le premier à décrire théoriquement l'électrodynamique des matériaux à indice de réfraction négatif. Il s'agit de métamatériaux particuliers dits matériaux main gauche (left-handed materials ou LHM en anglais). © Guérin Nicolas, Wikipédia, cc by sa 3.0

Veselago est un représentant de l'illustre école des scientifiques russes. Elle s'est fait connaître tout au long du XX^e siècle avec plusieurs générations de physiciens et de mathématiciens prodigieusement doués, comme Lev Landau, Frenkel et Gelfand, mais aussi Mikhaïl Gromov.

Invisibilité et superlentilles

Dès 1967, Veselago avait compris que si l'on arrivait à fabriquer un jour des matériaux avec un indice de réfraction négatif, il serait possible de réaliser des lentilles plates aux propriétés étonnantes. On devrait ainsi pouvoir obtenir des images dont la résolutionrésolution serait inférieure à la limite théorique des lentilleslentilles normales, à indice positif. Mieux, il serait possible de former dans l'airair des images en 3D.

Des décennies de progrès technologiques ont été nécessaires pour parvenir à fabriquer ces métamatériaux. Il a fallu notamment apprendre à réaliser de minuscules structures périodiques à des échelles inférieures à la longueur d'onde de la lumièrelumière que l'on veut manipuler. Malheureusement, ces structures périodiques doivent donc être d'autant plus petites que l'on veut modifier la propagation de rayons lumineux associés à de petites longueurs d'onde. Il semblait presque impossible d'obtenir des lentilles plates concentrant la lumière ultraviolette.

En haut, on voit une ouverture en forme d'anneau dans une feuille opaque en chrome (en gris) déposée sur une lentille plate en métamatériau. Une lumière ultraviolette passant à travers ce dispositif donne une image en 3D de l'anneau en sortie. En bas à gauche, une image prise au microscope électronique d'un anneau en chrome déposé sur la lentille, et à droite l'image obtenue en UV (fausses couleurs) en sortie. © Lezec, NIST

Lentille prometteuse pour la photolithographie

Cela vient de changer grâce à une équipe de chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NISTNIST). Comme ils l'expliquent dans un article publié dans Nature, au lieu de créer des structures périodiques avec des tailles de l'ordre de dix nanomètresnanomètres, il leur a suffi d'empiler judicieusement des couches alternées d'argentargent et de dioxyde de titanedioxyde de titane. L'obtention d'un tel sandwich avec des couches épaisses de quelques nanomètres seulement est une opération de routine pour les physiciens du solidesolide depuis longtemps. En bonus, le passage d'un faisceau de lumière ultraviolette à travers la lentille plate que les chercheurs ont réalisée peut être interrompu à volonté en soumettant le métamatériaumétamatériau à des ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques de hautes fréquencesfréquences.

Selon l'un des auteurs de la découverte, Henri Lezec, « notre lentille devrait permettre aux autres chercheurs de manipuler la lumière ultraviolette à petites distances avec une plus grande facilité. Or, avec ses photonsphotons énergétiques, la lumière ultraviolette a une myriademyriade d'applicationsapplications en photochimie, en microscopie à fluorescence et pour la fabrication des semi-conducteurs. Comme notre lentille est très facile à réaliser, cela devrait inciter les chercheurs à explorer ses possibilités dans ces domaines ».