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Les métamatériaux canalisent les ondes électromagnétiques

Publié le

Grâce à leurs propriétés inédites, ces matériaux permettent d'envisager une nouvelle génération de composants hyperfréquences pour les télécommunications.

Il aura fallu plus de trente ans pour que les métamatériaux passent de l'état d'hypothèse théorique séduisante à celui de réalité physique démontrée. Mais aujourd'hui, après une période de controverse, les preuves expérimentales s'accumulent, et montrent qu'en créant certaines structures artificielles dans des matériaux, on obtient une propriété électromagnétique surprenante, inconnue dans la nature : un indice de réfraction négatif. Ce qui signifie qu'en traversant l'interface entre l'air et un tel matériau, le faisceau est réfracté dans une direction inhabituelle. Il reste en effet du même côté de la normale à l'interface. Cette propriété permet d'envisager des dispositifs inédits : des lentilles planes, mais aussi différents types de systèmes de filtrage et de guidage des ondes électromagnétiques.

Des méthodes de modélisation

 

L'idée d'un tel métamatériau a été proposée dès 1964 par un physicien russe, qui exposait les propriétés hypothétiques d'un milieu dont la permittivité (epsilon, qui caractérise la réponse au champ électrique) et la perméabilité (mu, réponse au champ magnétique) seraient toutes deux négatives. Trente-cinq ans plus tard, les chercheurs de l'UCSD (université de Californie de San Diego) ont réalisé le premier milieu réunissant ces conditions : une structure où alternent des anneaux de cuivre ouverts et des fils, lithographiés sur un substrat. Les structures sont à l'échelle millimétrique, qui conviennent pour les longueurs d'onde utilisées (de l'ordre du centimètre), et produisent effectivement un indice de réfraction négatif.

Ces résultats ont déclenché de nombreuses études à travers le monde. « Les expérimentations menées chez Boeing confirment de manière très convaincante l'existence d'un phénomène de réfraction négative », affirme Olivier Martin, à l'institut technologique de Zurich (ETHZ), qui explore les propriétés de ces structures. En France, plusieurs laboratoires s'intéressent aux métamatériaux (le LOE de Marseille, l'IEF d'Orsay, l'IEMN de Lille...).

Le laboratoire d'optique électromagnétique (LOE) de l'Institut Fresnel, à Marseille, développe des méthodes de modélisation des métamatériaux. Des calculs qui permettent d'avancer sur le plan théorique. Le LOE a, par exemple, démontré mathématiquement qu'il était impossible d'avoir simultanément la permittivité et la perméabilité égale à -1 dans un matériau homogène. Ce qui restreint donc les recherches aux structures hétérogènes, comme celles étudiées à l'UCSD. Le LOE s'intéresse aussi aux applications, puisqu'il a travaillé avec Alcatel Space sur un projet d'antenne satellitaire utilisant des métamatériaux. L'intérêt : remplacer une parabole par une antenne plane, que l'on peut poser contre un mur...

La Défense est aussi intéressée

 

Plus généralement, les métamatériaux devraient permettre de canaliser et modeler les flux électromagnétiques. Les premières applications concernent les hyperfréquences utilisées dans les télécoms : antennes, filtres, guide d'ondes. Mais la Défense s'y intéresse aussi (études financées par la Darpa américaine), pour des applications relatives à la furtivité des avions, la compatibilité électromagnétique entre les antennes des appareils, etc.

Enfin, les premiers promoteurs des métamatériaux ont fait sensation en affirmant qu'il devenait possible de réaliser une lentille parfaite (dont la résolution n'est pas limitée par la diffraction). Une hypothèse controversée. En fait, l'avenir des méta- matériaux dépend aussi de l'implication des industriels sur un sujet encore prospectif.

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