Métamatériau

En physique, en électromagnétisme, le terme métamatériau désigne un matériau composite artificiel qui présente des propriétés électromagnétiques qu'on ne retrouve pas dans un matériau naturel.

Il s'agit en général de structures périodiques, diélectriques ou métalliques, qui se comportent comme un matériau homogène n'existant pas à l'état naturel. Il existe plusieurs types de métamatériaux en électromagnétisme, les plus connus étant ceux susceptibles de présenter à la fois une permittivité et une perméabilité négatives. Mais il en existe d'autres : milieux d'impédance infinie, milieu à permittivité relative inférieure à 1, etc. En réalité les métamatériaux sont très anciens, puisqu'on peut considérer par exemple les verres colorés utilisés dans les vitraux des cathédrales comme des métamatériaux optiques. De même on peut considérer les cristaux photoniques comme des métamatériaux.

C'est aujourd'hui un domaine de recherche très actif.

Historique

Les milieux dits « main gauche » ou à « indice de réfraction négatif », ont été théorisés en 1967 par Victor Veselago. Ils nécessitent une perméabilité et une permittivité négatives simultanément. Longtemps, cette double condition a été difficile à réaliser, même si l'on connaissait depuis longtemps des milieux présentant une permittivité négative (par exemple les plasmas). En 2006, John Pendry (en), de l'Imperial College, en propose une réalisation à l'aide de structures périodiques métalliques formées d'anneaux concentriques coupés, appelées split-ring resonators (en) (SRR), et de fils métalliques continus. Il avait démontré dans deux articles successifs qu'un arrangement périodique de fils métalliques continus parallèles présentait en basse fréquence une permittivité négative et qu'un réseau périodique de SRR présentait une perméabilité négative autour d'une fréquence de résonance. En réunissant les deux réseaux dans une structure périodique composite, on réalisait le milieu proposé par V. Veselago. Ce milieu présentait alors un indice négatif au voisinage de la fréquence de résonance des SRR.

Cette propriété d'indice de réfraction négatif était déjà remarquable, mais aurait pu rester une curiosité de laboratoire. Ce qui a réellement attiré l'attention sur ces matériaux exotiques a été la proposition par J. Pendry de la possibilité de réaliser une superlentille dont la résolution ne serait plus limitée par les lois classiques de l'optique. Enfin, en 2006, pour couronner ce sujet, J. Pendry et U. Leonhardt proposaient la réalisation d'une cape d'invisibilité utilisant des métamatériaux.

Plusieurs équipes ont démontré depuis que ces prédictions théoriques étaient réalisables, en réalisant successivement des prototypes de superlentilles et de cape d'invisibilité en micro-onde. Auparavant, D.R. Smith avait montré expérimentalement que le matériau composite de J. Pendry présentait bien une permittivité et une perméabilité négatives, et donc un indice de réfraction négatif.

Des tentatives de réalisation de ces métamatériaux en infra-rouge et dans le domaine visible ont été également proposées. Il s'agit de véritables tours de force dans la mesure où la période du réseau est de l'ordre du dixième de la longueur d'onde. Par exemple dans le visible, si la longueur d'onde est 500nm, la période est de l'ordre de 50nm, avec des largeurs de motifs métalliques de l'ordre de la dizaine de nanomètres.

La difficulté vient donc du fait qu'il faut donc obtenir des structures très petites (afin de créer des réseaux à petites périodes). Actuellement, les métamatériaux sont réalisés par micro-gravure ou nano-gravure. Ils sont constitués de fibres de cuivres imprimés dans des fibres de verre constituant ainsi la partie isolante, c'est-à-dire la partie diélectrique du métamatériau. C'est donc principalement dans la mise en forme que les ingénieurs sont limités. Certains groupes de recherche, dont des français, espèrent trouver une solution en changeant la méthode de fabrication, c'est-à-dire en réalisant ces métamatériaux par auto-assemblages dirigés, ces derniers se fabriquant alors de manière quasi-naturelle. D'autre part, le problème de l'élaboration d'un tel matériau provient de la difficulté à obtenir des matières premières de grande pureté.

Propriétés des métamatériaux à main gauche

Schéma de la réflexion-transmission d'une onde plane lors d'un saut d'indice : réfraction normale à droite, et réfraction négative à gauche.

Vidéo représentant la réfraction négative d'une onde sur un dioptre plan.

• Leur indice de réfraction est négatif ;
• Leur permittivité et leur perméabilité μ sont négatives ;
• Lors de la propagation d'une onde plane dans un métamatériau, le trièdre formé par les vecteurs (k,E,H) est inversé ;
• Les vitesses de phase et de groupe sont opposées (alors qu'elles sont de même sens dans un milieu classique) ;
• Contrairement aux milieux classiques, ils amplifient les ondes évanescentes.
• L'effet Doppler est inversé ;
• L'effet Tcherenkov est inversé ;
• Il existe des ondes de surface, appelées « plasmons » pour les deux polarisations, qui peuvent être propagatives ou rétro-propagatives ;
• Il existe des modes guidés rétro-propagatifs et des modes à fuite rétro-propagatifs ;

Applications potentielles

• Lentilles à haute résolution ou « super-lentilles » proches du stigmatisme rigoureux et ayant une résolution théoriquement infinie,
• NIM (Matériau à indice négatif),
• Pièges à lumière ou électromagnétiques,
• Dispositif d'invisibilité (en réalité dans cette application ni la perméabilité ni la permittivité ne sont négatives, mais uniquement variables),
• Mise au point de miroirs de Bragg constitués de tels matériaux, éventuellement encore plus efficaces,
• Antennes compactes et directives utilisant un radôme à indice négatif,
• Réalisations de digues flottantes, dont le but ne serait plus de briser les vagues comme avec l'utilisation d'une digue traditionnelle, mais plutôt de contourner ce qui est protégé par la digue.

Voir aussi

• Cristal photonique ;
• Ultra-réfraction ;
• Réfraction négative.

Bibliographie

• V.G. Veselago, « The Electrodnamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ », Soviet Physics Uspekhi, Vol. 10, No. 4, janvier-février 1968 ;
• J.B. Pendry, « Negative refraction makes a perfect lens », Phys. Rev. Lett., Vol. 85, pp. 3966-3969, 2000 ;
• D. Schurig, J. J. Mock, B. J. Justice, S. A. Cummer, J. B. Pendry, A. F. Starr, D. R. Smith, « Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies », Science, Vol. 314, No. 5801, pp. 977 - 980, novembre 2006 ;

Liens externes

• (en) Metamaterials.net forum dédié aux recherches sur les métamatériaux
• (fr) Base de donnée assez complète
• (en) Metamaterials organised for radio, millimeter wave and photonic superlattice engineering

• Portail de la physique
• Portail des micro et nanotechnologies
• Portail des sciences des matériaux