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Les premières super lentilles sont au point !

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Dans la saga des métamatériaux, le dernier épisode a pour vedettes ces lentilles, promises depuis longtemps, capables de franchir les limites de l'optique traditionnelle. Deux équipes sont parvenues à en fabriquer avec des moyens assez différents. De quoi booster les bons vieux microscopes optiques.

Avec l'invisibilité, sur laquelle travaillent plusieurs laboratoires, la réalisation de lentilles dépassant les limites imposées par l'optique traditionnelle constitue l'objectif le plus prisé des désormais célèbres « métamatériaux ». Ces objets constitués d'une multitude de petites structures identiques présentent des propriétés remarquables, comme l'indice de réfraction négatif, inconnu dans la nature mais qui fait bouillonner l'imagination des physiciens. En 2000, John Pendry, de l'Imperial College de Londres, avait prédit qu'une telle propriété permettrait d'outrepasser une limite physique jusque-là considérée comme infranchissable à jamais : la résolution (ou pouvoir séparateur) d'un système optique, un microscope par exemple, est à peu près égale à la longueur d'onde de la lumière. En deçà de cette dimension, des interférences brouillent l'image. Voilà pourquoi il faut passer à la microscopie électronique pour grossir davantage.

Pour fabriquer cette super lentille, il fallait résoudre un problème de taille : les métamatériaux n'ont d'effet que sur les rayonnements électromagnétiques dont la longueur d'onde est proche de la distance séparant les minuscules éléments qui les constituent. Jusqu'en 2006, on n'avait fabriqué que des métamatériaux agissant sur les micro-ondes, de longueur d'onde 1 à 10 centimètres. Mais en janvier, l'Américain Costas Soukoulis et son équipe du laboratoire Ames annonçaient un métamatériau capable d'agir sur la lumière visible, à 780 nanomètres, soit le rouge.

Complémentaires d'un microscope normal

Moins de trois mois plus tard, deux autres équipes américaines, indépendamment et avec des méthodes différentes, ont montré les premières super lentilles travaillant dans le visible. Celle de Xiang Zhang, à l'université de Californie (Berkeley), prend la forme d'un demi-cylindre pavé de coquilles de 35 nanomètres d'épaisseur et réalisées en oxyde d'argent et d'aluminium. Elle produit une image agrandie, que l'on observe avec un microscope classique. L'engin a permis de distinguer deux petites lignes séparées de seulement 100 nanomètres, une performance hors de portée d'un microscope traditionnel.

Une expérience précédente de l'équipe. En haut, quatre lettres fortement grossies et vues à l'aide d'une sonde ionique focalisée. Dessous (figure d, à droite), vue à l'aide d'un microscope optique. A gauche (b), vue améliorée grâce à une super lentille. Les deux courbes détaillent la variation du contraste dans les carrés blancs des figures b et d : la ligne du A apparaît large de 380 nm en d et de 90 nm en b. La barre bleue mesure 2 micromètres. Crédit : Xiang Zhang Research Lab

Igor Smolyaninov, de l'université du Maryland, fabrique sa superlentille en déposant sur un film d'or des cercles concentriques composés d'un polymère (le PMMA, polyméthyl méthacrylate). Le principe est cependant assez différent.


Des cercles concentriques de PMMA déposés sur un film d'or deviennent une superlentille si l'on prend la peine de l'éclairer avec un laser.
Crédit : Department of Electrical and Computer Engineering / Igor Smolyaninov

Cette petite structure est éclairée à l'aide d'un rayon laser qui génère dans le matériau une vague d'électrons en mouvement, ce que l'on appelle un plasmon. Ce tsunami électronique se propage à l'interface or-PMMA et confère un indice de réfraction négatif. Les chercheurs annoncent avoir mesuré une résolution de 70 nanomètres.

Cette avancée aura probablement d'importantes conséquences car elle met à la portée de la microscopie optique des structures minuscules, comme l'ADN par exemple, étudiées avec d'autres techniques (microscopie électronique notamment) mais que l'on avait jamais vraiment vues de nos propres yeux...

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