Les métamatériaux : quand la forme compte plus que la matière
Indice de réfraction négatif, lentilles plates, capes d'invisibilité : les métamatériaux ont fait rêver. En structurant la matière à une échelle plus petite que la longueur d'onde, on façonne la lumière. Ce qui marche vraiment, et ce qui reste un mythe.
Un vitrail tire ses couleurs de la chimie de son verre. Les ailes de certains papillons, elles, sont bleues sans pigment bleu : leurs écailles portent des structures microscopiques qui renvoient sélectivement certaines longueurs d'onde. C'est l'idée qui guide les métamatériaux : obtenir des propriétés optiques ou électromagnétiques par la forme et l'agencement de petits motifs, plus que par la nature de la matière qui les compose.
Des « atomes » artificiels
Une onde ne « voit » pas les détails beaucoup plus petits que sa longueur d'onde : elle réagit à leur effet moyen. Le verre est fait d'atomes, mais pour la lumière visible il se comporte comme un milieu continu caractérisé par un indice. Un métamatériau reproduit ce principe avec des motifs fabriqués, de petites boucles ou tiges métalliques, des piliers diélectriques, répétés à une échelle typiquement dix fois plus petite que la longueur d'onde. Pour les micro-ondes, de longueur d'onde centimétrique, ces motifs mesurent quelques millimètres et se fabriquent comme des circuits imprimés. Pour la lumière visible, il faut descendre à quelques dizaines de nanomètres, ce qui est beaucoup plus difficile.
Chaque motif agit comme un petit circuit résonant, qui répond au champ électrique et au champ magnétique de l'onde. En jouant sur sa géométrie, on règle les deux grandeurs qui décrivent un milieu, la permittivité \varepsilon et la perméabilité \mu, dont dépend l'indice de réfraction n, avec n^2 = \varepsilon \mu en unités relatives.
L'indice négatif
Dans tous les matériaux naturels transparents, \varepsilon et \mu sont positifs. Dans les années 1960, le physicien soviétique Victor Veselago se demande ce qui se passerait si les deux étaient négatifs à la fois : il faut alors choisir la racine négative, et l'indice devient négatif. La loi de la réfraction de Snell-Descartes,
n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2
prédit alors qu'un rayon entrant dans un tel milieu est dévié du « mauvais » côté de la normale, comme si une paille plongée dans l'eau se cassait vers l'arrière. L'idée resta une curiosité pendant trente ans, faute de matériau. À la fin des années 1990, le physicien britannique John Pendry propose des motifs capables de produire une perméabilité négative, puis montre qu'une plaque d'indice -1 pourrait former des images plus fines que la limite habituelle de diffraction. Au tout début des années 2000, l'équipe de David Smith, aux États-Unis, assemble ces motifs et observe la réfraction négative de micro-ondes.
Les capes d'invisibilité : un rêve très partiel
En 2006, Pendry et ses collègues proposent de guider les ondes autour d'un objet comme l'eau contourne un rocher, pour qu'elles ressortent intactes de l'autre côté. Une première démonstration la même année, en micro-ondes, a fait les gros titres. Mais elle ne fonctionnait que dans un plan, à une seule fréquence et pour un objet de quelques centimètres. Les obstacles sont profonds : les motifs métalliques absorbent une partie de l'énergie, et les effets résonants ne marchent que dans une bande de fréquences étroite. Une cape d'invisibilité pour le visible, à large bande et pour un objet de taille humaine, reste hors de portée et pourrait le rester.
Le succès est venu d'une version simplifiée : la métasurface, une seule couche de nanostructures posée sur une surface plane. Chaque élément retarde un peu la lumière qui le traverse ; en faisant varier ce retard d'un point à l'autre, on courbe le front d'onde comme le ferait une lentille épaisse. On obtient ainsi des lentilles plates de moins d'un micromètre d'épaisseur, fabriquées avec les machines de l'industrie des puces. Des lentilles de ce type équipent déjà certains capteurs de profondeur et modules optiques compacts. Pour les ondes radio, des antennes plates à métasurface orientent électroniquement leur faisceau, sans pièce mobile, pour les liaisons par satellite. Ces nouvelles antennes se vérifient, comme toutes les autres, dans des chambres anéchoïques semblables à celle de la photo, dont les parois absorbent les ondes pour simuler le silence de l'espace.
Vers les étoiles
Une voile poussée par la lumière pourrait tirer parti des mêmes idées. Avec des réseaux et des métasurfaces, elle dévierait la lumière pour orienter sa poussée sans s'incliner (voir la marche A-SPC-06), et contrôlerait son émission infrarouge pour évacuer sa chaleur (voir la marche C-MAT-02). Le chantier ouvert est celui de la fabrication : produire des nanostructures précises sur des mètres carrés, à bas coût, sans défaut. C'est là que se jouera la différence entre les belles démonstrations de laboratoire et les objets de tous les jours.