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Bientôt des lentilles de microscope plates

ActualitéClassé sous :technologie , physique , métamatériau

Un nouveau métamatériau - cette classe de structures minuscules aux propriétés étonnantes -, à base de semi-conducteurs,  permettrait de réaliser des lentilles grossissantes plates, dont la résolution dépasserait la limite théorique imposée aux optiques traditionnelles.

Avec la « cape d'invisibilité » chère à Harry Potter, les métamatériaux se sont taillés un succès médiatique. Cet effet spectaculaire peut en effet créer une sorte de zone d'invisibilité dans certaines longueurs d'onde. Mais elle reste pour l’instant très partielle. On ne sait pas encore l'obtenir dans tout le spectre de la lumière visible et l'on est très loin de faire disparaître un gros objet.

Les métamatériaux ont bien d'autres applications potentielles, comme une amélioration drastique des lentilles optiques, notamment celles des microscopes.

Une équipe américaine de l'université de Princeton est parvenue à en fabriquer un à l'aide de semi-conducteurs, ce qui constitue déjà une originalité. Jusque-là, ces métamatériaux étaient constitués de minuscules structures, d'échelle millimétrique ou moindre, régulièrement disposées, comme des alignements de barres ou d'anneaux par exemple. Tous ont cette propriété inconnue dans la nature de présenter un indice de réfraction négatif. Un rayon électromagnétique (lumineux par exemple) qui frappe leur surface est dévié vers l'arrière.

Quand il touche un métamatériau présentant un indice de réfraction négatif, un rayon électromagnétique (ici de l’infrarouge) repart vers l’arrière, comme s’il était réfléchi sur un miroir invisible perpendiculaire à la surface. © Keith Drake

Avec une telle réfraction, il est théoriquement possible de construire une lentille qui fournirait des images d'une résolution inférieure à la longueur d'onde la lumière incidente. Cette propriété contrevient à une sacro-sainte loi de l'optique. A cause d'elle, par exemple, la microscopie optique est limitée et, pour atteindre des grossissements de plusieurs milliers de fois, il faut adopter un microscope électronique, dont le faisceau présente une longueur d'onde bien plus courte. Pour un biologiste, l'annonce d'un dispositif optique permettant de monter en grossissement jusque dans les valeurs réservées à la microscopie électronique est au moins aussi excitante que la cape d'invisibilité du petit sorcier...

Analyser l’atmosphère, détecter les incendies, voir l'ADN…

Plusieurs travaux sont menés dans ce domaine, où les enjeux sont très importants. L'équipe américaine est parvenue à graver sur une surface des motifs à l'aide de semi-conducteurs connus, indium-gallium-arsenic et aluminum-indium-arsenic. Ces gravures sont très petites, ce qui permet de travailler sur des longueurs courtes, par rapport aux métamatériaux déjà réalisés. Dans cette première réalisation, l'indice de réfraction est négatif pour la lumière infrarouge mais les chercheurs pensent tout à fait possible de descendre dans les fréquences visibles. En utilisant les méthodes habituelles de gravure de circuits électronique, les chercheurs ont pu fabriquer des structures à trois dimensions, alors que les expériences de ce genre se limitaient à deux.

A l'aide de ce matériau, il serait possible de réaliser une lentille absolument plate. Elle ne présenterait alors aucune aberration chromatique (due à la courbure de la surface sur les lentilles traditionnelles). Surtout, la résolution, en dépassant la limite de l'optique, permettrait des performances très supérieures, qui intéressent, entre autres, les astronomes et les utilisateurs de microscopes. On peut espérer jusqu'à une valeur suffisante pour observer une molécule d'ADN par exemple.

Le fait que le métamatériau mis au point à Princeton travaille dans l'infrarouge a son avantage. A cette longueur d'onde, en effet, on ne dispose pas d'optique de bonne qualité. De nouvelles applications sont donc envisageables. Cette étude fait d'ailleurs partie d'un large groupe de recherche baptisé Mirthe (Mid-Infrared Technologies for Health and the Environment) réunissant un grand nombre d'organismes de recherche. Comme son nom tente de l'indiquer,  il est spécialisé dans la mise au point de capteurs, sensibles à l'infrarouge moyen, destinés aux domaines de l'environnement et de la santé, qui seraient capables d'analyser rapidement la teneur de l'atmosphère ou de l'haleine d'une personne. Alarme incendie et détection de problèmes pulmonaires figurent donc au programme de ce vaste ensemble de recherches pluridisciplinaires.

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