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Métamatériaux ? révolutionnaires !

Thierry Mahé

Les métamatériaux mettent en ébullition la recherche mondiale en télécommunications comme en optique. Et offrent déjà des retombées industrielles.

Exceptionnel. Une science toute neuve et encore spéculative il y a dix ans à peine entre de plain-pied dans l'ère des applications technologiques. Qui plus est, elle touche au domaine universel des ondes électromagnétiques, c'est-à-dire des radiocommunications comme de l'optique. Ce sont les métamatériaux, encore nommés matériaux à indice négatif ou matériaux main gauche (MMG) - par référence à la règle des trois doigts qui donne la direction des composantes de Maxwell. Ces "chimères" ne doivent d'exister qu'à l'essor de la simulation numérique et aux micro- et nanotechnologies.

Vus de l'extérieur, ces matériaux respectent à la lettre les lois classiques de la diffraction. À cette nuance que le "n", indice de réfraction, prend ici une valeur négative ! Le bâton, plongé dans l'eau apparaîtrait toujours cassé, mais dans l'autre sens.

 

Antennes compactes et ultralégères

 

À la fin des années 1960, Victor Georgievich Veselago, professeur à l'Institut de physique et de technologie de Moscou (Russie), postule l'existence de telles structures. Mais c'est encore une « expérience par la pensée ». Dont John Pendry, de l'Imperial College à Londres (Grande-Bretagne), complétera la théorie dans les années 2000.

Le spectre applicatif des matériaux main gauche est immense. Dans le domaine des micro-ondes (longueur d'onde de quelques dizaines de centimètres), c'est déjà presque une « technologie sur étagère ». L'étape actuelle vise au contrôle de l'infrarouge (longueur d'onde de l'ordre de 1,5 µm) qui supporte les communications optiques. Et les laboratoires ont déjà pour quête le domaine de la lumière visible.

L'un des premiers effets recherchés est d'obtenir une "loupe"... parfaitement plate. En optique bien sûr, mais dans un premier temps dans les télécommunications. On peut de fait obtenir l'effet convergeant d'une antenne parabolique avec une "dalle". Ainsi, dès 2003, Stefan Enoch et Pierre Sabouroux, chercheurs à l'Institut Fresnel de Marseille, sont parvenus à fabriquer une structure à plat composée d'un empilement de grilles métalliques séparées par de la mousse, apte à faire converger l'énergie rayonnée autour de 15 GHz. L'efficacité et la bande passante d'un tel dispositif sont moins bonnes que celles d'un réflecteur parabolique, mais on abaisse la masse de la structure de quelques kilos à quelques centaines de grammes. Pas étonnant que ce travail ait été commandité par Alcatel Space. De même, Thales Research & Technology (sous la direction de Jean-Claude Boudenot) travaille activement sur ce thème. Les structures sont étonnamment simples... mais leur dimensionnement fait appel à des codes de calculs souvent spécifiques - comme à l'Institut Fresnel.

Ce type de travaux sur des antennes compactes et ultralégères, émettrices comme réceptrices, alimente foule de travaux mondiaux, d'autant qu'on obtient un effet directionnel, sans pièces en mouvement - à la façon des antennes réseau, mais à un coût bien moindre. Dans le domaine des micro-ondes et des ondes millimétriques, un des laboratoires les plus avancés est l'École polytechnique de Montréal (Canada), sous la direction de Christophe Caloz.

 

Différencier deux points séparés de 100 nm

 

L'intrusion des MMG dans le domaine de l'optique va être une révolution sans précédent. Le premier but est d'obtenir des lentilles d'une géométrie très simple, aptes à faire converger la lumière. Déjà, plus besoin d'usinage complexe. Et aussi fin des problèmes d'aberration quand le rayon incident s'écarte de l'axe de la lentille. Et surtout, les scientifiques ont montré que les MMG brisent un tabou fondamental de l'optique : la finesse de l'instrument optique (la distance minimale entre deux points que l'on peut distinguer) ne serait plus limitée par la longueur d'onde de la lumière émise. Ainsi, le professeur Xiang Zhang de l'Université de Berkeley (Californie, États-Unis) a réalisé une "lentille" composée d'oxyde d'argent et d'aluminium qui, intégrée à un microscope classique, permet de différencier deux points séparés seulement de 100 nm. Des travaux semblables sont menés par Igor Smolyaninov de l'Université du Maryland (États-Unis), obtenant une résolution jusqu'à 70 nm.

Un tel prodige est dû au fait que les MMG amplifient les ondes évanescentes qui sont stationnaires et, surtout, décroissent très vite avec la distance. Or, ce sont précisément ces ondes qui renseignent sur les détails ultimes de l'objet observé.

Enfin, qu'on qualifie cette prévision de "marketing scientifique" ou qu'on la considère comme une voie de recherche plausible à des fins militaires, les matériaux MMG pourraient réaliser la furtivité parfaite. Ainsi, John Pendry, l'un des fondateurs de la discipline, n'hésite pas à envisager une "cape invisible" : la lumière contournant littéralement l'objet ferait échapper celui-ci à la vue. On en est loin, très loin. Car la technologie a tout de même du mal à rattraper les équations.

Tout d'abord, pour être vue comme un milieu homogène, une structure "main gauche" doit être constituée de motifs d'une taille dix fois inférieure à la longueur d'onde. Ainsi, si l'on travaille dans le domaine des micro-ondes (quelques gigahertz), la longueur d'onde est de l'ordre de quelques centimètres, et la dimension des motifs sera de quelques millimètres. Un procédé tout bête de circuit imprimé convient donc tout à fait. Plus haut en fréquence, ça se corse. Il faut recourir à des procédés d'épitaxie, voire aux nanotechnologies comme l'usinage par faisceaux d'électrons. Pour des motifs de l'ordre de la centaine de nanomètres (ondes proches de la lumière visible), on a recours à d'autres techniques comme le dépôt de plots sur une surface transparente - un million de plots sur une surface de 0,1 mm2. Cet exemple se réfère aux travaux de l'équipe d'Alexander Grigorenko à l'Université de Manchester (Grande-Bretagne), et constitue parmi les premières tentatives pour travailler en lumière visible.

 

Des dispositifs de filtrage du signal

 

Autre problème, les métamatériaux peuvent être considérés comme des résonateurs autour d'une fréquence donnée : ils sont donc dimensionnés pour une bande de fréquence assez étroite et disposent de peu de bande passante. En revanche, ce défaut peut être mis à profit pour réaliser, sans aucune électronique, des dispositifs de filtrage du signal type passe-bande.

L'autre frein, beaucoup plus sévère à la montée en fréquence des MMG, tient aux pertes d'énergie qu'ils occasionnent. En effet, une structure très serrée absorbe le signal de façon importante. Dans le domaine des micro-ondes, on a donc recours aux métaux les plus conducteurs comme des fils d'or. Pour aborder le domaine de l'optique, les chercheurs travaillent sur une technologie radicalement différente, celle des cristaux photoniques.

ILS MINIATURISENT LES ÉTIQUETTES RFID

Ce projet est mené par une équipe du Laboratoire de conception et d'intégration des systèmes (LCIS) de l'INP-Grenoble, dirigée par Tan-Phu Vuong, et fait l'objet de la thèse de Romain Siragusa. Ce dernier explique : « Nous avons mis à profit les propriétés d'un métamatériau pour miniaturiser une antenne de type étiquette RFID travaillant dans la bande UHF : 900 MHz. La réduction de taille peut atteindre jusqu'à 75 % ! En effet, tout se passe comme si l'on émettait à une fréquence plus élevée (1,2 GHz), et donc avec une antenne plus petite, puisque travaillant à plus faible longueur d'onde. » Le projet en est au stade du prototype.

- Pour aborder le domaine de l'infrarouge,

voire du visible, une tout autre technologie intervient, celle des cristaux photoniques. Ou encore celle de superlentilles (ici, une réalisation d'Igor Smolyaninov, de l'Université du Maryland, États-Unis) théoriquement apte à descendre en dessous des résolutions imposées par l'optique classique.

Dans le domaine des micro-ondes,

ce sont ces structures à motifs qui dominent (ici une réalisation de Minas Tanielian - Boeing Phantom Works). Le phénomène de réfraction négative provoque un effet loupe et peut être aussi mis à profit pour réaliser du filtrage de signal.

LE SECRET : UN INDICE DE RÉFRACTION NÉGATIF

- L'indice de réfraction (n) dépend de la permittivité électrique (e) et de la perméabilité magnétique (µ) du matériau, caractérisant sa réaction aux deux composantes d'un champ électromagnétique. - Sous certaines conditions, des µ et des e négatifs existent dans la nature... Rendre µ et e négatifs simultanément et sur une large bande de fréquence est l'exploit des métamatériaux. Or µ n < 0. - La structure de base des métamatériaux est un assemblage périodique de segments (dipôles) alternant avec des anneaux fendus (SRR pour split ring resonators), les uns ayant pour but de "tordre" e, les autres µ. Si d'une géométrie plane, on passe à un édifice 3D, on s'affranchit en outre de la direction du champ.

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