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 ?

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Rendre un objet invisible et concevoir une cape d'invisibilité comme celle portée par Harry Potter, deux rêves réservés aux amateurs de science fiction ? Plus vraiment, si l'on en croit une étude parue la semaine dernière dans l'édition en ligne de la revue Science…

L'invisibilité est en vue !
(Courtesy of James Davenport)

Quand la lumière "coule" autour des objets

Des chercheurs britanniques et américains avancent qu'en théorie il est désormais possible de concevoir une barrière d'invisibilité, permettant de soustraire tout objet à la vue. Cette cape d'invisibilité, ou plutôt ce bouclier d'invisibilité, étant donnée la largeur que devraient accuser les premiers prototypes, ferait dévier les rayons lumineux, de façon à ce qu'ils s'incurvent suffisamment pour éviter l'objet qu'elle dissimulerait : « C'est un peu comme si vous ouvriez un trou dans l'espace », explique David R.Smith, de la Duke's Pratt School. En théorie, la lumière « coulerait » le long de l'objet protégé par le bouclier et épouserait ses formes comme de l'eau autour d'un rocher, pour ensuite reprendre son courant « normal » en aval. Ainsi, non atteint par la lumière, l'objet deviendrait invisible.

Mais, en quoi pourraient bien être fabriqués cette cape et ce bouclier, pour qu'ils incurvent suffisamment la trajectoire de la lumière ? En méta-matériaux, des composites artificiels que l'on ne trouve pas dans la nature, explique les chercheurs.

Un modèle de déviation de la lumière, laissant apparaître un "trou d'invisibilité" dans lequel serait susceptible de se cacher un objet
(Courtesy of Leonhardt)

Les méta-matériaux

Les rayons lumineux sont déviés dès qu'ils passent d'un milieu à un autre dont l'indice de réfraction diffère. Mais dévier suffisamment la lumière pour qu'elle évite complètement une région de l'espace, tout en reprenant en aval son cours normal, est un vrai défi. Néanmoins, les méta-matériaux ont permis aux scientifiques de faire de grands progrès dans ce sens. Ces méta-matériaux sont composés de plusieurs couches d'une matrice en fibre de verre, empilées les unes sur les autres, entre lesquelles sont insérés des anneaux métalliques. Soumis à un champ électromagnétique ou à de la lumière, les méta-matériaux réagissent en induisant un champ magnétique interne, et peuvent modifier la course des rayons lumineux. En outre, ils sont même capables de présenter des indices de réfraction « négatifs » !

Les équipes de recherche dirigées par Ulf Leonhardt (université de St Andrews, Ecosse) et de John Pendry (Imperial College, Londres) ont montré que, en théorie, des méta-matériaux pourraient faire « couler » la lumière autour d'un objet donné, et être utilisés pour construire des boucliers d'invisibilité. Néanmoins, ces systèmes ne pourraient dissimuler des objets qu'aux longueurs d'ondes correspondant à la taille des composants des méta-matériaux. Aussi, pour concevoir une cape fonctionnant dans le champ visible, il conviendrait de la « tisser » aux échelles microscopique et nanoscopique. Cependant, les chercheurs pensent pouvoir contourner le problème en entourant le « trou d'invisibilité » d'un matériau à haut indice de réfraction.

Un premier prototype de bouclier d'invisibilité, fonctionnant dans les micro-ondes, devrait être présenté dans 18 mois. Nul doute que les "moldus" seront nombreux à assister à cet événement… Comme quoi, se rendre invisible comme Harry Potter, ce n'est peut-être pas sorcier !

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Ils l'ont fait ! Un « trou d'invisibilité » a été créé en laboratoire, faisant disparaître un anneau de cuivre. Limitée, l'expérience n'en est pas moins la démonstration éclatante d'une possibilité théorique annoncée seulement cette année et des extraordinaires propriétés des métamatériaux.

Au début de l'année, des chercheurs américains et britanniques expliquaient la possibilité théorique de réaliser un volume sans paroi matérielle dont le contenu serait invisible de l'extérieur. Appelé « trou d'invisibilité » (invisibility cloak en anglais), ce principe repose sur l'utilisation de lentilles à indice de réfraction négatif. On annonçait les premières réalisations dans les dix-huit mois. Mais les scientifiques ont progressé bien plus vite.

Petit rappel sur la réfraction négative : si l'eau présentait une telle propriété, un bâton à moitié plongé dans l'eau semblerait non pas plus incliné vers le fond mais orienté vers la surface. Aucun matériau naturel ne montre un indice de réfraction négatif mais on peut l'obtenir avec un « métamatériau », dispositif artificiel composé de petites structures périodiques, métalliques, qui dévient localement le champ électromagnétique. Ces structures doivent avoir une dimension du même ordre de grandeur que la longueur d'onde des rayons à dévier.

Limité aux micro-ondes

C'est en trichant un peu, du moins en simplifiant le problème, que David Smith et ses collègues de la Duke University, en Caroline du nord (Etats-Unis), ont créé le premier trou d'invisibilité. Tout d'abord, il ne s'agit pas de lumière mais de micro-ondes - le terme invisibilité n'est donc pas tout à fait approprié - et, ensuite, l'effet n'est obtenu qu'en deux dimensions. Mais il faut bien commencer par le plus simple…

David Smith, de la Duke University, en Caroline du nord (Etats-Unis), créateur de métamatériaux à indice de réfraction négatif. Crédit : Duke University.

Pourquoi des micro-ondes ? Parce que leur longueur d'onde est bien plus grande que celles de la lumière et on peut de ce fait obtenir la réfraction négative avec des structures de plus grandes dimensions. Beaucoup de recherches ont été effectuées sur ces métamatériaux et les chercheurs commencent à les maîtriser. L'équipe de David Smith, notamment, a déjà de nombreuses réalisations à son actif. Celle qui a servi à cette expérience est un assemblage de petits anneaux contenant quelques composants électroniques simples capables de dévier un champ électromagnétique. Avec cette dimension, seules les longueurs d'ondes centimétriques, donc les micro-ondes, seront affectées. En travaillant en deux dimensions, c'est-à-dire dans un plan, les chercheurs ont, là aussi, grandement faciliter la réalisation de l'expérience.

Mais la réussite est là : un anneau de cuivre placé à l'intérieur du dispositif n'a en rien modifié le trajet des micro-ondes traversant le tout, alors qu'il aurait dû le faire. Il reste de nombreux progrès à faire mais la voie est ouverte. Au mois de juillet, une équipe a réalisé un métamatériau à indice de réfraction négatif agissant sur sur des longueurs d'onde bien plus courtes, dans le domaine de l'infrarouge. La lumière visible n'est donc pas bien loin…

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