Métamatériau

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


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Électromagnétisme - Optique - Science des matériaux - Nanomatériau - Matériau

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  • ... Les métamatériaux sont fabriqués en associant au moins deux matériaux à ... leur indice de réfraction négative, qui leur sert à modifier la... Si l'indice de réfraction du métamatériau est dans le spectre visible... (source : armee-du-futur.over-blog)
  • ... "La source de l'indice réponse négative est principalement différente de ... un matériau avec un indice de réfraction isotopique près réglé pour... Cela veut dire que le nouveau métamatériau est spécifiquement bien... (source : azonano)
  • ... selon un motif bien particulier, pour obtenir des propriétés de réfraction négative vis-à-vis de la lumière : un métamatériau est créé.... (source : spectrosciences)

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

Il s'agit généralement 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 illimitée, milieu à permittivité relative inférieure à 1, etc. En réalité les métamatériaux sont particulièrement anciens, puisqu'on considère généralement par exemple les verres colorés utilisés dans les vitraux des cathédrales comme des métamatériaux optiques. De même on considère généralement les cristaux photoniques comme des métamatériaux.

C'est actuellement un domaine de recherche particulièrement 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 complexe à réaliser, même si on connaissait depuis longtemps des milieux présentant une permittivité négative (par exemple les plasmas). En 2000, John Pendry, de l'Imperial College, en propose une réalisation avec structures périodiques métalliques constituées d'anneaux concentriques coupés, nommées split-ring resonators (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. Jusque là, D. R. Smith avait montré expérimentalement que le matériau composite de J. Pendry présentait bien une permittivité et une perméabilité négatives, et par conséquent un indice de réfraction négatif.

Des tentatives de réalisation de ces métamatériaux en infra-rouge et dans le domaine visible ont été aussi proposées. Il s'agit de véritables tours de force étant donné que 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 par conséquent du fait qu'il faut par conséquent obtenir des structures particulièrement petites (pour créer des réseaux à petites périodes). Aujourd'hui, 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 par conséquent essentiellement 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.
Negative refraction.ogg
Vidéo représentant la réfraction négative d'une onde sur un dioptre plan.

Applications potentielles

Voir aussi

Bibliographie

Liens externes

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