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Les métamatériaux aux portes de l'optique

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Les matériaux à indice de réfraction négatif ouvrent la voie à une nouvelle génération de composants pour les télécoms. Leur récente irruption dans l'optique étend leur potentiel d'application.

Les métamatériaux aux portes de l'optique

Il y a cinq ans, leur existence était encore contestée. Aujourd'hui, non seulement plus personne ne met en doute la réalité des matériaux à indice de réfraction négatif (MIN), mais des équipes de chercheurs, stimulés par leurs propriétés inédites - ils réfractent les ondes électromagnétiques dans une direction inhabituelle - en inventent régulièrement de nouveaux. Alors que la première démonstration d'un matériau à « réfraction négative » était limitée à des fréquences de l'ordre du gigahertz (utilisées, par exemple, dans les radars ou les communications sans fil), des chercheurs viennent pour la première fois de les faire entrer dans le domaine de la lumière visible, avec un matériau qui fonctionne à une longueur d'onde de 780 nanomètres (dans la partie rouge du spectre). Un record obtenu par une équipe américaine issue du Ames Laboratory (Iowa), associé à l'université de Karlsruhe (Allemagne).

Il couronne une série de travaux par lesquels plusieurs laboratoires ont étendu considérablement, en quelques années, le spectre des fréquences de fonctionnement de ces nouveaux matériaux. L'application phare : la « superlentille », capable de former des images dont la résolution sera plus fine que la longueur d'onde utilisée, chose jusqu'ici impossible. L'imagerie médicale, mais aussi la lithographie des semi-conducteurs peuvent en tirer le meilleur parti. On n'est en pas encore là. Mais le rythme des projets de recherche et des publications ne faiblit pas. Et tandis que plusieurs équipes rivalisent d'inventivité pour créer de nouveaux matériaux plus performants, d'autres ont une démarche plus pragmatique vers les applications.

Les applications visées

  • Des composants plus compacts pour les télé-communications : guides d'ondes, filtres, résonateurs, antennes...
  • Des superlentilles qui s'affranchissent de la limite de diffraction, utilisables en imagerie biomédicale et pour des procédés de nanolithographie.
  • Le manteau électromagnétique, dispositif qui peut rendre un objet invisible à certaines fréquences. Il intéresse le domaine de la défense.
Baptisés le plus souvent « métamatériaux », les MIN sont en fait des matériaux traditionnels dans lesquels est créée une structure artificielle - des motifs périodiquement répétés, responsables d'une propriété inédite dans la nature. En interagissant avec l'onde électromagnétique, ces motifs créent en effet un milieu dont la permittivité (epsilon, qui caractérise la réponse au champ électrique) et la perméabilité (mu, réponse au champ magnétique) sont toutes deux négatives : une condition suffisante pour obtenir un indice de réfraction négatif. Les premiers dispositifs réalisés, avec des motifs de quelques millimètres, convenaient pour interagir avec des ondes de l'ordre du centimètre (soit des fréquences de l'ordre du gigahertz). Mais transposer ce principe aux longueurs d'onde de l'optique suppose de réaliser ce type de structures à une échelle de l'ordre de la dizaine de nanomètres. Ce qui provoque d'autres difficultés !

Un indice négatif à 780 nanomètres

C'est par étapes que les chercheurs ont progressé jusqu'aux longueurs d'onde visibles. Grâce à des technologies de fabrication permettant de réduire la taille des motifs : des simples techniques de circuits imprimés pour les métamatériaux fonctionnant dans les gigahertz, jusqu'à la lithographie par faisceau d'électrons pour réaliser les motifs nanométriques des MIN dans le visible. Ils ont aussi inventé de nouvelles structures capables de donner simultanément une permittivité et une perméabilité négatives aux longueurs d'onde visées.

Les résultats les plus poussés - pour l'instant - ont été obtenus par une « résille » (« fishnet ») de fils d'argent dont les espaces intermédiaires sont un diélectrique de fluorure de magnésium (MgF2), le tout sur un substrat de verre. Cette structure a permis d'obtenir un indice négatif avec une lumière rouge (780 nm), bien qu'avec des pertes (l'atténuation du signal dans le matériau) encore trop importantes. En revanche, pour une longueur d'onde de 1,5 micron, les résultats sont excellents. « Notre structure est la seule qui fonctionne à 1,5 micron, avec des pertes relativement faibles. Comme le procédé de fabrication est industrialisable, des applications sont envisageables », affirme Costas Soukoulis de l'Ames Laboratory, qui assure la conception des MIN, tandis que l'équipe de Karlsruhe, menée par Martin Wegener, travaille sur le procédé de fabrication, à base de lithographie par faisceau d'électrons. Toutefois, les chercheurs estiment que leur structure a atteint ses limites. Ils explorent maintenant de nouveaux designs, qui permettront de monter encore en fréquence.

En fait, même pour utiliser des fréquences plus basses (ce qui réduit les difficultés technologiques de fabrication), des développements restent à faire. En particulier, pour limiter les pertes, condition nécessaire à l'émergence d'applications pratiques. L'utilisation de diélectriques est une solution... qui est loin d'être idéale. « Les pertes sont importantes dans les matériaux métalliques, en particulier dans les longueurs d'onde optiques. Les matériaux diélectriques permettent de les réduire, mais ils se prêtent moins bien à l'obtention d'un indice négatif », souligne Didier Lippens, qui dirige le groupe Dispositif opto et micro-électroniques quantiques à l'IEMN (Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologies, Lille). Le laboratoire a travaillé sur les MIN avec Thales, et est en discussion avec Alcatel Space Alenia. Pour résoudre le problème des pertes, les chercheurs envisagent d'introduire dans les structures de MIN des matériaux amplificateurs optiques. La réalisation de dispositifs 3D (et non plus planaires) est aussi au programme des études à venir.

Adopter une démarche d'ingénierie

Pendant que des laboratoires s'échinent à repousser les limites du phénomène de réfraction négative, d'autres ont une approche plus directement axée sur les applications. Certaines sont intrigantes, et sans doute assez futuristes, tel le « manteau électromagnétique » conçu à la Duke University (Durham, Caroline du Nord), par le groupe de David Smith, chercheur qui s'était déjà illustré en 2000 en effectuant la première démonstration de structure à indice de réfraction négatif. Le « manteau » en question dévie et refocalise le faisceau d'ondes qu'il reçoit, de telle façon qu'un objet placé à l'intérieur semble « invisible ».

Une application des MIN qui risque d'intéresser la Défense... Smith a effectivement fabriqué un manteau constitué de cylindres concentriques sur lesquels ont été réalisés des motifs actifs de quelques millimètres. Le système fonctionne à 8,5 GHz, de manière encore imparfaite, reconnaît le chercheur. Ce dernier a toutefois le mérite d'avoir fait passer - une nouvelle fois - un concept théorique à l'état de dispositif bien réel.

D'autres démarches sont plus pragmatiques. « Les différentes applications induisent des contraintes différentes. Il faut donc adopter maintenant une démarche d'ingénierie, qui part de la fonction visée pour concevoir un matériau optimisé pour l'application. Mais c'est aux industriels de poser le problème », affirme Stefan Enoch, qui co-dirige un groupe axé sur la nano-photonique à l'Institut Fresnel (Marseille), et qui travaille notamment avec Alcatel. Dans le domaine des radiofréquences et des micro-ondes, divers composants (coupleur, filtre, résonateur...) et antennes pourraient bénéficier de l'apport des MIN.

Les industriels ont l'oeil sur les superlentilles

Ainsi, le laboratoire Diom de l'université Jean Monnet de Saint-Etienne réalise des métamatériaux en gravant des motifs de 100 x 200 microns sur un substrat diélectrique, dans le but de réaliser des composants plus compacts (notamment des antennes). « Nous évoluons vers la conception de structures spécifiques d'une application », souligne Bruno Sauviac, le directeur adjoint du laboratoire, qui coopère avec Radiall, le fabricant de composants radiofréquence et micro-ondes.

Dans ce domaine encore prospectif, les industriels s'intéressent en priorité aux débouchés possibles à moyen terme. Mais pas seulement. Ainsi, la perspective encore lointaine d'utiliser des « superlentilles » pour créer des images à la résolution inédite ne peut qu'intéresser un Carl Zeiss, spécialiste des composants optiques et optoélectroniques. L'industriel a d'ailleurs décerné en 2006 son prix de la recherche à Martin Wagener et Kurt Busch, à l'université de Karlsruhe, pour leurs travaux sur les métamatériaux.

Thierry Lucas

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