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Les métamatériaux : plus rien ne les arrête

Matériaux invisibles, antennes "intelligentes",... les métamatériaux sont parés de vertus qui paraissent tout droit sorties de la science-fiction. Leur secret : grâce à leur structure, ils se jouent des lois habituelles de l'électromagnétisme.

Modèle de cristal photoniquePremier modèle de cristal photonique, développé par des physiciens américains.
© U.S. Dept. of Energy's Ames Laboratory

Pendant plus de cent ans, la loi était gravée dans le marbre de la physique : un microscope optique, aussi puissant soit-il, ne peut pas permettre de visualiser les détails d’un objet plus petit que la longueur d’onde de la lumière avec laquelle on l’observe. Dans le jargon des physiciens, cette loi porte même un nom : c’est la limite de diffraction. Impossible de passer outre, donc.

Jusqu’en 2005. Cette année-là, Xiang Zhang, physicien à l’université de Californie à Berkeley, rend public les images d’un mot minuscule gravé sur une couche de polymères, "NANO". Ces images ont été prises avec un microscope optique. Et, chose incroyable, elles présentent des détails d’environ 40 nanomètres. C’est dix fois inférieur à ce qu’autorise en théorie la limite de diffraction !


Vue d'artiste en 3D de métamatériauxVue d'artiste de métamatériaux (3D)
© Harald Giessen / Physikalisches Institut, Uni Stuttgart / R. Noack, MPI FKF
L’astuce de Xiang Zhang ? Il a équipé son microscope optique d’un métamatériau, construisant ainsi une "super lentille" capable de dépasser la limite de diffraction de la lumière. Les métamatériaux sont en effet des matériaux composites se comportant vis-à-vis des ondes électromagnétiques comme aucun matériau dans la nature. Et, mystifier la soi-disant inébranlable limite de diffraction n’est qu’une de leurs actions. Ils suscitent actuellement l’engouement du monde académique en raison des applications futuristes qu’ils promettent dès aujourd’hui : invisibilité, composants optiques inégalés, lentilles planes… et même des boucliers "antisismiques" (partie 1) !

André de Lustrac, professeur à l’Institut d'électronique fondamentale d'Orsay, est un des pères des métamatériaux en France. Il nous a entrouvert la porte de son laboratoire et nous a dévoilé quelques-unes des réalisations, actuelles et futures, de son équipe (partie 2). Parmi elles, des antennes dites intelligentes parce qu’elles renvoient à la préhistoire les antennes standard qui servent à la téléphonie mobile (partie 3).

01.L’invisibilité

Cape d’invisibilité(a) Simulation d'une cape d'invisibilité fonctionnant à 11GHz et dissimulant un objet métallique cylindrique en son centre. (b) La cape réalisée à l'IEF d'Orsay.
© B. Kanté / IEF
La promesse la plus fascinante des métamatériaux est celle de l’invisibilité. Et pour une fois, point de "c’est trop beau pour être vrai". Les physiciens spécialistes du sujet s’accordent pour dire que d’ici une dizaine d’années, on parviendra à rendre invisible un objet à l’aide de métamatériaux. Ils ont même déjà leur petite idée sur la façon de s’y prendre. Ils imaginent fabriquer une "cape d’invisibilité" qui obligerait les rayons lumineux incidents à contourner l’objet, puis à reprendre leur course normale. Avec une telle cape, tout se passerait comme si les rayons traversaient l’objet "invisible".

En fait, depuis 2006, les progrès dans les métamatériaux ont déjà permis de fabriquer une cape d’invisibilité, mais limitée au domaine des micro-ondes. Cette année-là, John Pendry, physicien à l’Imperial College de Londres, David Schurig et David Smith, de l’université Duke, aux États-Unis, ont présenté un dispositif incroyable : il protégeait un petit objet en cuivre en le rendant invisible aux ondes radio. Le dispositif n’avait de cape que le nom, puisqu’il était constitué de cylindres concentriques. Ses propriétés magiques découlaient de minces fils électriques en forme de boucles imprimés sur les cylindres de verre. Par un jeu d’interférence entre les ondes incidentes et les ondes réémises au passage des boucles, les micro-ondes arrivant sur la cape étaient détournées, rendant le cuivre invisible.

Depuis, d’autres équipes ont emboîté le pas à Pendry et ses collègues, cherchant à faire fonctionner une cape dans le domaine visible. Fin 2009, le succès n’est toujours pas au rendez-vous, mais la prouesse réalisée par Michal Lipson en début d’année nous en rapproche à grands pas. Cette physicienne de l’université Cornell, aux États-Unis, est parvenue à "effacer" une bosse sur une plaque de silicium sous un éclairage infrarouge. L’origine de cette propriété ? De minuscules perforations réalisées dans la plaque, capables d’altérer la réflexion des ondes infrarouges.

Plus "tapis" d’invisibilité que cape, le dispositif de Lipson a le mérite de démontrer que le principe d’invisibilité fonctionne dans l’infrarouge, autrement dit à des longueurs d’ondes 10 000 fois inférieures à celles des micro-ondes. C’était se rapprocher d’autant d’une invisibilité dans le domaine "visible" où les longueurs d’ondes sont encore plus petites. Or, la longueur d’onde de la lumière incidente détermine directement la taille des éléments actifs des métamatériaux (la taille de trous dans l’expérience de Lipson). En clair, plus la longueur d’onde est petite, plus les trous - ou encore les éléments actifs - seront petits. D’où la difficulté d’obtenir une invisibilité dans le visible : il faudra construire des métamatériaux à l’échelle nanométrique, ce que les chercheurs envisagent d’ici cinq à dix ans.

Bouclier anti vagueModèle de bouclier anti vague (20 cm de diamètre). Un prototype à grande échelle est en cours de définition avec des hydrodynamiciens.
© S. Enoch / CNRS
Toutefois, les premières applications de l’invisibilité pourraient bien voir le jour avant d’atteindre cet horizon. Mais par d’autres chemins que l’invisibilité optique, en empruntant cette fois la voie de la mécanique ! À l’Institut Fresnel de Marseille, Sébastien Guenneau et Stefan Enoch ont inventé un bouclier anti… vagues. Il s’agit en fait d’un disque hérissé de petits plots savamment agencés. Plongés dans un fluide dont la surface est agitée, les plots créent des interférences destructrices entre vagues. Résultat : le centre du disque, où règne un calme olympien, est isolé de la tempête.

Construit à grande échelle, sous la forme d’un réseau de pylônes, un tel système pourrait protéger une plate-forme pétrolière ou une zone côtière contre une mer en furie, voire des tsunamis. Fixés au sol, ces plots de béton font plusieurs mètres de diamètre et sont espacés de plusieurs dizaines de mètres. Leur agencement est en effet adapté à la longueur d'onde de la houle, soit plusieurs dizaines de mètres. Les chercheurs de Marseille ont développé la même idée pour protéger des bâtiments de certaines ondes sismiques.

02.Les sculpteurs d'ondes

Métamatériaux nanométriquesMétamatériaux nanométriques réalisés à l'IEF, composés de fils d'or sur du silicium. (a) Détail de la cellule élémentaire (600nmx600nm). (b) Réseau réalisé.
© B. Kanté / IEF
Trois voies de recherche se dessinent pour les mématériaux : les composants optiques, l’invisibilité et les antennes émettrices "intelligentes". À l’Institut d’électronique fondamentale d’Orsay, le groupe CRIME (Cristaux photoniques et métamatériaux) a choisi d’emprunter la troisième. Cette équipe pionnière dans les métamatériaux façonne le rayonnement électromagnétique comme d’autres la pierre ou le métal. Parmi ses œuvres on trouve une version améliorée de la cape d’invisibilité de Pendry (permettant de rendre invisible aux micro-ondes des objets quatre fois plus gros), mais surtout, des nouveaux types d’antennes capables de prouesses comme de n’émettre que dans une unique direction ou de changer de fréquence à volonté.

Comment fabrique-t-on des métamatériaux ? Le travail du CRIME relève de l’électronique de précision. Les métamatériaux qui sont développés et produits dans son laboratoire sont formés pour l’essentiel de fins motifs métalliques (dont l’épaisseur peut flirter avec la dizaine de nanomètres, soit dix milliardièmes de mètre) déposés à la surface d’un substrat transparent aux ondes électromagnétiques. Le substrat peut être constitué de matériaux durs comme du silicium ou du verre. Mais l’équipe envisage aussi de réaliser bientôt ces métamatériaux sur des feuilles souples diélectriques (fabriquées par exemple en résine) longues de plusieurs mètres. Telles des sortes de "papiers peints", ces feuilles pourraient venir recouvrir des objets aux dimensions variées, rendant totalement invisible l’antenne aux regard des hommes.

L’épaisseur des films et leur géométrie sont des paramètres capitaux, déterminés au bout d’intenses efforts de calculs, comme le souligne le directeur du CRIME, André de Lustrac : "Quand un nouveau thésard arrive, mon premier geste est de lui commander un nouvel ordinateur superpuissant. La conception et l’optimisation des paramètres d’un seul matériau demandent souvent plusieurs jours, voire plusieurs semaines de calculs numériques."

Plus concrètement, l’équipe a conçu récemment une antenne directive en partenariat avec des chercheurs de France Télécom menés par Jean-Pierre Blot. L’idée était de réduire l’impact visuel des "peignes géants" qui coiffent certains toits. Ces fameuses antennes pour téléphonie mobile sont constituées de quatre tiges de plusieurs mètres de haut placées aux quatre coins du toit. Pari réussi pour André de Lustrac : l’antenne qu’il a développée avec son équipe et les partenaires du projet se réduit à un seul élément, de soixante centimètres de haut et de cinquante centimètre de diamètre. Les métamatériaux utilisés ont permis de réduire la puissance globale émise en focalisant les ondes de téléphonie dans telle ou telle direction en fonction de la position des abonnés, plutôt qu’en inondant d’ondes la zone comme le fait une antenne classique. L’économie de puissance s’est traduite par une réduction de taille de l’antenne.

Encore au stade de prototype, le dispositif a été confié au Centre de recherche mutualisé sur les antennes, à la Turbie (Alpes-Maritimes), laboratoire commun entre le CNRS et France Télécom. En attendant peut-être une utilisation dans le cadre de la prévention contre les rayonnements électromagnétiques. À l’heure en effet où ces rayonnements sont soupçonnés de nocivité, un meilleur contrôle sur le champ d’émission des ondes est un atout. Dans un futur proche, les antennes de téléphonie à base de métamatériaux pourraient éviter que les habitations soient noyées sous une pluie d’ondes. Elles permettraient qu’en milieu urbain, les émissions se concentrent principalement dans les rues !

03.Les applications futures des métamatériaux dans les télécoms et les transports

Radomes contrôlables Radomes contrôlables cylindrique (a) et sphérique (b), en test dans les laboratoires d'EADS IW à Suresnes.
© P. Cailleux / EADS IW
"En déplacement". Si André de Lustrac est rarement dans son bureau, c’est la faute aux nombreux partenariats avec l’industrie que son laboratoire a tissés. En témoigne le dispositif dont il vient d’achever la réalisation en collaboration avec Gérard-Pascal Piau du laboratoire de recherche d'EADS Innovation Works (IW). Précisément, il ne s’agit pas d’une antenne, mais de l’enveloppe qui en abrite une : le radôme, grosse boule située sur le nez des avions. Cuirasse du radar météo, il le défend contre les intempéries et les éclairs.

Pour renforcer le rôle protecteur des radômes des airbus, EADS souhaitait pouvoir les rendre opaques ou transparents à volonté. Dans la même logique que ces lunettes de soleil qui s’assombrissent en plein soleil, les physiciens du CRIME sont parvenus à développer un revêtement à la transparence variable vis-à-vis des ondes radar. Ils ont adapté leurs techniques de contrôle des ondes radio par métamatériaux à la forme sphérique et surtout à la taille (30 centimètres de diamètre) du radôme. Les prototypes d’André de Lustac ont été testés avec succès au centre d’essai d’EADS IW à Suresnes.

Une antenne développée par CRIME devrait elle aussi voyager à grande vitesse, mais à terre cette fois. Destinée aux liaisons mobiles des transports en commun, elle se veut une réponse au frustrant "Je te rappelle, je vais passer dans un tunnel". Pour résoudre ce problème de l’homo modernicus, André de Lustrac, envisage de construire une antenne ultra-directrice. Camouflée dans la carlingue du véhicule, elle serait capable, en entrant dans un tunnel, de concentrer la puissance d’émission des ondes vers l’arrière ou l’avant du véhicule afin d’éviter la perte de connexion avec le réseau. Comme l’antenne développée avec France Télécom, de telles antennes sont dites "intelligentes" par opposition aux modèles standard qui arrosent toute une zone. À la sortie du tunnel, l’antenne retrouverait son fonctionnement "standard". Le projet, auquel l’ANR vient d’apporter son soutien, est le fruit d’une collaboration avec Alsthom, l’Inrets (Institut national de recherche sur les transports et leur sécurité) et les universités de Brest et Rennes. Avant d’équiper les trains français, les futures antennes devraient peut-être un jour se retrouver dans les rames de métro de Shanghai, ville avec qui Alsthom a un partenariat.

André de Lustrac a d’autres fers au feu, comme le développement d'un vêtement "intelligent" dont l’étoffe servirait d’antenne télé. Il suffirait de brancher un écran portable sur une prise camouflée dans une poche pour capter la télévision numérique. Le projet, lancé avec France Télécom et deux équipes de l’université de Rennes, est plus complexe qu’il n’y paraît… "Pour caser une antenne dans un vêtement, il nous faut explorer des structures souples pour fabriquer nos métamatériaux. En outre, il faut tenir compte du corps humain," décrit le chercheur. En particulier, à cause de sa haute teneur en eau, le corps humain a tendance à focaliser les ondes électromagnétiques. De quoi complexifier le calcul des métamatériaux qui joueront le rôle d’antenne. Pour y parvenir, André de Lustrac sera peut-être amené à prendre conseil auprès d’autres laboratoires qui planchent eux aussi sur les métamatériaux. Des laboratoires où il a ses… antennes.

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