Le potentiel des métamatériaux est énorme - allant de cellules solaires plus efficaces et de puces à lumière rapide aux microscopes à lumière avec une résolution décuplée
West Lafayette (États-Unis) - Ces dernières années, des physiciens du monde entier ont constamment construit de nouveaux métamatériaux. Ces matériaux structurés en filigrane ont des indices de réfraction négatifs et peuvent dévier les ondes électromagnétiques comme aucune substance naturelle ne le peut. Les bouchons furtifs qui rendent les objets invisibles aux longueurs d'onde souhaitées comptent parmi les applications les plus intrigantes. Mais Vladimir M. Shalaev de l’Université Purdue à West Lafayette voit beaucoup plus de potentiel dans les métamatériaux. Cela va des hyperlenses aux microscopes à résolution nanométrique, écrit-il dans un article de Perspective publié dans la revue "Science".
"Cette optique de transformation est un nouveau moyen de contrôler et de manipuler la lumière du niveau macro au niveau nanométrique", explique Shalaev. Les métamatériaux, en principe, font apparaître toutes les applications optiques sous un jour totalement nouveau. La liste des possibilités ne cesse de s'allonger. En plus des tentatives de furtivité sensationnelles, Shalaev voit la pertinence économique des métamatériaux dans d'autres domaines. Le physicien s'intéresse particulièrement aux hyperlenses plates. "Avec de tels objectifs, on peut considérer que les objets sont dix fois plus petits que ce qui est possible aujourd'hui." Selon Shalaev, on pourrait alors avoir l'air beaucoup plus petit que la longueur d'onde utilisée avec les microscopes optiques jusqu'à l'échelle nanométrique. Ainsi, les molécules d'ADN ou les virus pourraient être considérés comme étant trop petits pour être visualisés dans la gamme de longueurs d'onde visibles aujourd'hui.
Théoriquement, les hyperlenses pourraient également compenser les pertes dans le conduit de lumière à travers des matériaux tels que la fibre de verre. En combinant élégamment la lumière et en se focalisant, Shalaev considère qu'il est possible, par exemple, d'augmenter considérablement le rendement énergétique des cellules solaires. Il voit également de nouvelles opportunités pour les nouveaux matériaux optiques dans le domaine de la photonique, où les données ne sont plus traitées avec des électrons mais beaucoup plus rapidement avec des particules lumineuses. "Nous pouvons adapter la forme et la taille des unités structurelles et personnaliser leur composition pour de nombreuses nouvelles fonctionnalités", explique le physicien.
Le développement rapide des laboratoires dans le monde entier lui donne raison. Ce n’est qu’en 2006 que David Smith de l’Université Duke à Durham a rendu invisible un corps recouvert de métamatériaux pour micro-ondes, suivi de près par des structures ayant atteint un indice de réfraction négatif dans le domaine visible du spectre électromagnétique. Et ces nouveaux matériaux optiques ne fonctionnaient que dans deux dimensions spatiales. En mai de cette année, des chercheurs de l’Université de Karlsruhe ont déjà fait état d’un processus de production de métamatériaux structurés en trois dimensions pour la gamme infrarouge.
"L'idée de base est de concevoir des matériaux à partir d'atomes artificiels, de méta-atomes, plus petits que les longueurs d'onde de la lumière", déclare Shalaev. De tels méta-atomes sont en principe constitués d'îlots métalliques très symétriquement disposés, placés dans une structure régulière sur des substrats diélectriques. En plus d'un indice de réfraction négatif, ces métamatériaux présentent également des valeurs négatives pour la permittivité électrique ε et la perméabilité magnétique µ. Ainsi, les ondes lumineuses peuvent être déviées autour d’un objet tout comme l’eau coule autour d’une pierre lorsqu’elle se précipite. Cet effet est, par exemple, à la base du phénomène de furtivité déjà observé. Toutes ces idées pourraient bientôt être suivies d'applications concrètes au rythme actuel de la recherche. "Les nombreuses applications excitantes vont bien au-delà de ce que nous pouvions imaginer jusqu'à récemment", conclut Shalaev.