Les matériaux avancés peuvent modifier les ondes, créant des illusions d'optique et des technologies utiles

e sont entourés de vagues. De minuscules ondes vibratoires transportent le son vers nos oreilles. Les ondes lumineuses stimulent les rétines de nos yeux. Les ondes électromagnétiques apportent de la radio, de la télévision et du contenu en streaming sans fin sur nos appareils. Remarquablement, toutes ces ondes différentes sont régies en grande partie par les mêmes principes physiques fondamentaux. Et au cours des dernières années, il y a eu une révolution dans notre capacité à contrôler ces ondes à l'aide de matériaux, conçus à l'échelle nanométrique, connus sous le nom de métamatériaux.

 

Le préfixe grec métasignifie « au-delà ». Ces matériaux techniques nous permettent d'aller au-delà des modes traditionnels d'interaction entre les ondes et la matière, en créant des technologies où la lumière et le son semblent désobéir aux règles conventionnelles. L'exemple phare de ce nouveau style de matériaux est la "cape d'invisibilité" - un revêtement métamatériel qui peut cacher un objet à la vue de tous. Plusieurs équipes de recherche dans le monde, dont la mienne, ont conçu et produit des revêtements métamatériaux capables de rediriger les ondes lumineuses qui les frappent, empêchant efficacement la lumière de rebondir sur l'objet et d'atteindre nos yeux et même de laisser des ombres. Bien que ces inventions aient des limites - elles ne sont pas tout à fait les capes d'invisibilité de style Harry Potter que beaucoup de gens imaginent - elles interagissent néanmoins avec la lumière d'une manière qui semble magique.

 

Les capes ne sont qu'un exemple de la technologie des métamatériaux. D'autres métamatériaux permettent à la lumière de voyager dans un sens mais pas dans l'autre sens - un outil précieux pour la communication et la détection d'objets - et de briser les symétries de la géométrie et du temps. Grâce aux outils de nanofabrication modernes et à une meilleure compréhension de la manière dont la lumière et la matière interagissent, nous pouvons désormais structurer les métasurfaces pour produire n'importe quel motif, couleur et caractéristique optique auxquels nous pouvons penser.

 

LUMIÈRE DE FLEXION ET DE TORSION

 

Pendant des siècles, les scientifiques se sont efforcés de contrôler les propriétés de la lumière et du son lorsqu'ils interagissent avec nos systèmes sensoriels. L'un des premiers succès de cette quête a été l'invention du vitrail : les Romains et les Égyptiens de l'Antiquité ont appris à fondre des sels métalliques dans le verre pour le teinter. Les minuscules nanoparticules métalliques dispersées dans le verre absorbent des longueurs d'onde spécifiques et laissent passer les autres, créant des couleurs vives dans des chefs-d'œuvre que nous admirons encore aujourd'hui. Au 17e siècle, Isaac Newton et Robert Hooke ont reconnu que la teinte et l'irisation de certains animaux sont créées par des motifs à l'échelle nanométrique à la surface de leurs parties du corps - un autre exemple de la façon dont les matériaux nanostructurés peuvent créer des effets optiques surprenants.

 

Les yeux humains sont excellents pour détecter deux propriétés fondamentales de la lumière : son intensité (luminosité) et sa longueur d'onde, c'est-à-dire sa couleur. Une troisième propriété importante de la lumière est sa polarisation, qui décrit la trajectoire que les champs électromagnétiques de la lumière tracent dans l'espace au fil du temps. Bien que les humains ne puissent pas distinguer une polarisation d'une autre avec nos yeux, plusieurs espèces animales ont une sensibilité à la polarisation, leur permettant de voir plus, de mieux s'orienter dans leur environnement et de signaler aux autres créatures.

 

À la fin du XIXe siècle, quelques années après la découverte par James Clerk Maxwell des équations de l'électromagnétisme, Jagadish Chandra Bose a construit les premiers exemples de ce que l'on pourrait appeler un métamatériau. En tordant manuellement les fibres de jute et en les disposant en réseaux réguliers, il a démontré que les ondes électromagnétiques polarisées linéairement - la lumière dont les champs électriques et magnétiques oscillent le long de lignes droites - font tourner leur polarisation lorsqu'elles se propagent et interagissent avec les structures de jute. Le jute torsadé de Bose a montré qu'il était possible de concevoir un matériau artificiel pour contrôler la lumière de manière sans précédent.

 

L'ère moderne des métamatériaux remonte à 2000, lorsque les physiciens David R. Smith de l'Université Duke, le regretté Sheldon Schultz de l'Université de Californie à San Diego et leurs collègues ont créé un matériau d'ingénierie sans précédent - un matériau avec un indice de réfraction négatif . Lorsqu'un faisceau de lumière se déplace d'un milieu à un autre - de l'air au verre, par exemple - sa vitesse change, provoquant la courbure du faisceau ou sa "réfraction". La différence d'indice de réfraction entre les deux matériaux définit l'angle de cette flexion.

 

Les phénomènes de réfraction sont à la base de la plupart des dispositifs optiques modernes, y compris les lentilles et les écrans, et expliquent pourquoi une paille dans un verre d'eau semble brisée. Pour tous les matériaux naturels connus, l'indice de réfraction est positif, ce qui signifie que la lumière se courbe toujours du même côté de l'interface, avec un angle plus ou moins grand par rapport à l'interface en fonction du changement d'indice. La lumière entrant dans un milieu avec un indice de réfraction négatif, au contraire, se plierait vers l'arrière, créant des effets optiques inattendus, comme une paille semblant se pencher dans le mauvais sens. Les scientifiques ont longtemps supposé qu'il était impossible de trouver ou de créer un matériau supportant la réfraction négative, et certains ont soutenu que cela violerait les principes physiques fondamentaux. Lorsque Schultz, Smith et leurs collègues ont combiné de minuscules anneaux et fils de cuivre sur des substrats de circuits imprimés empilés, cependant, ils ont démontré qu'un faisceau de micro-ondes traversant ce matériau technique subit une réfraction négative. Cette avancée remarquable a montré que les métamatériaux peuvent produire un ensemble d'indices de réfraction beaucoup plus large que celui offert par la nature, ouvrant la porte à des possibilités technologiques totalement nouvelles. Depuis lors, les chercheurs ont créé des matériaux à indice négatif pour une large gamme de fréquences, y compris pour la lumière visible.

 

 

TECHNOLOGIES DE CAMOUFLAGE

 

Après cette percée initiale, une grande partie de la recherche sur les métamatériaux s'est concentrée sur le cloaking. Il y a environ 15 ans, alors que je travaillais avec Nader Engheta de l'Université de Pennsylvanie, nous avons conçu une coque métamatérielle qui rendrait un objet indétectable en faisant rebondir les ondes lumineuses sur la coque pour annuler les ondes lumineuses diffusées par l'objet masqué. Quelle que soit la direction d'où elle venait, une onde qui frappait la structure serait redirigée par la cape d'une manière qui annulait l'onde diffusée par l'objet lui-même. En conséquence, l'objet masqué serait impossible à détecter par un éclairage externe : d'un point de vue électromagnétique, il semblerait qu'il n'existe pas.

 

À peu près à la même époque, John B. Pendry de l'Imperial College de Londres et Ulf Leonhardt, maintenant à l'Institut Weizmann des sciences à Rehovot, en Israël, ont proposé d'autres façons intéressantes d'utiliser des métamatériaux pour masquer des objets. Et en quelques années, diverses démonstrations expérimentales ont transformé ces propositions en réalité. Mon groupe, par exemple, a produit une cape tridimensionnelle qui peut réduire considérablement la quantité d'ondes radio qui se dispersent hors d'un cylindre, ce qui la rend difficile à détecter par radar. Les technologies furtives existantes peuvent masquer les objets du radar en absorbant les ondes incidentes, mais les capes métamatérielles font beaucoup mieux car elles ne se contentent pas de supprimer les ondes réfléchies, elles redirigent les ondes entrantes pour éliminer la diffusion et les ombres, rendant l'objet masqué indétectable. Nous et d'autres groupes avons étendu le camouflage aux ondes acoustiques (sonores), créer des objets qui ne peuvent pas être détectés par les appareils sonar. D'autres scientifiques ont même fabriqué des capes pour les ondes thermiques et sismiques.

 

 

Il y a cependant un long chemin à parcourir entre ces appareils et les capes d'invisibilité comme celles illustrées dans les films, qui permettent à l'arrière-plan à plusieurs longueurs d'onde derrière un objet de briller. Nos capes réelles sont limitées à de petites tailles ou à des longueurs d'onde de fonctionnement étroites. Le défi sous-jacent est la compétition contre le principe de causalité : aucune information ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière dans l'espace libre. Il est impossible de restituer complètement les champs électromagnétiques de fond comme s'ils traversaient l'objet sans les ralentir.

 

 

Sur la base de ces principes, mon groupe a démontré que nous ne pouvons pas supprimer complètement la diffusion d'un objet à plus d'une seule longueur d'onde (une seule couleur de lumière) en utilisant un revêtement de métamatériau passif. Même si nous n'induisons qu'une transparence partielle, nous sommes confrontés à un compromis sévère entre la taille de l'objet masqué et le nombre de couleurs de lumière pour lesquelles nous pouvons le masquer. Masquer un grand objet à des longueurs d'onde visibles reste farfelu, mais nous pouvons utiliser des capes métamatérielles pour des objets plus petits et des longueurs d'onde plus longues, avec des opportunités intéressantes pour les radars, les communications sans fil et les capteurs haute fidélité qui ne perturbent pas leur environnement lorsqu'ils sont exploités. Les capes pour d'autres types d'ondes, comme le son, ont moins de limitations car ces ondes se déplacent à des vitesses beaucoup plus lentes.

 

SYMÉTRIES SPATIALES

 

Un outil particulièrement puissant pour concevoir et appliquer des métamatériaux à diverses fins est le concept de symétrie. Les symétries décrivent les aspects d'un objet qui ne changent pas lorsqu'il est retourné, pivoté ou autrement transformé. Ils jouent un rôle fondamental dans tous les phénomènes naturels. Selon un théorème de 1915 du mathématicien Emmy Noether, toute symétrie dans un système physique conduit à une loi de conservation. Un exemple est le lien entre la symétrie temporelle et la conservation de l'énergie : si un système physique est décrit par des lois qui ne dépendent pas explicitement du temps, son énergie totale doit être préservée. De même, les systèmes obéissant à des symétries spatiales, comme les cristaux périodiques qui restent les mêmes sous des translations ou des rotations, conservent certaines propriétés de la lumière, comme sa polarisation. En brisant les symétries de manière contrôlée,

 

Comme exemple du rôle puissant des symétries dans la conception de métamatériaux, mon groupe a conçu un métamatériau optique capable de faire pivoter efficacement la polarisation de la lumière qui le traverse - à certains égards, il s'agit d'une version à l'échelle nanométrique de l'arrangement en jute torsadé de Bose. Le matériau est constitué de plusieurs fines couches de verre, chacune incrustée de rangées de tiges d'or, longues de plusieurs dizaines de nanomètres. Tout d'abord, nous créons une couche de nanorods tous orientés dans une certaine direction sur le verre. Ensuite, nous empilons une deuxième couche, qui semble identique à la première, sauf que nous faisons pivoter toutes les tiges selon un angle spécifique. La couche suivante est ornée de nanorods encore tournés de ce même angle, et ainsi de suite. Dans l'ensemble, l'empilement n'a qu'environ un micron d'épaisseur, mais il présente un degré spécifique de symétrie spatiale brisée par rapport aux cristaux périodiques naturels, où les molécules sont toutes alignées en rangées droites. Lorsque la lumière traverse ce mince métamatériau, elle interagit avec les nanotiges d'or et est ralentie par les oscillations électroniques à leur surface. Les interactions lumière-matière émergentes sont contrôlées par la symétrie torsadée du réseau cristallin, permettant une grande rotation de la polarisation de la lumière entrante sur une large gamme de longueurs d'onde. Cette forme de contrôle de polarisation peut bénéficier à de nombreuses technologies, telles que les écrans à cristaux liquides et les outils de détection utilisés dans l'industrie pharmaceutique, qui reposent sur la rotation de polarisation qui apparaît généralement beaucoup moins efficacement dans les matériaux naturels. Les interactions lumière-matière émergentes sont contrôlées par la symétrie torsadée du réseau cristallin, permettant une grande rotation de la polarisation de la lumière entrante sur une large gamme de longueurs d'onde. Cette forme de contrôle de polarisation peut bénéficier à de nombreuses technologies, telles que les écrans à cristaux liquides et les outils de détection utilisés dans l'industrie pharmaceutique, qui reposent sur la rotation de polarisation qui apparaît généralement beaucoup moins efficacement dans les matériaux naturels. Les interactions lumière-matière émergentes sont contrôlées par la symétrie torsadée du réseau cristallin, permettant une grande rotation de la polarisation de la lumière entrante sur une large gamme de longueurs d'onde. Cette forme de contrôle de polarisation peut bénéficier à de nombreuses technologies, telles que les écrans à cristaux liquides et les outils de détection utilisés dans l'industrie pharmaceutique, qui reposent sur la rotation de polarisation qui apparaît généralement beaucoup moins efficacement dans les matériaux naturels.

 

Les symétries de rotation sous-jacentes jouent également un rôle crucial dans la gouvernance d'autres réponses métamatérielles. Le groupe de Pablo Jarillo-Herrero au Massachusetts Institute of Technology a récemment montré que deux couches de graphène étroitement espacées - une seule couche d'atomes chacune - tournant soigneusement l'une par rapport à l'autre d'un angle précis entraînent l'émergence frappante de la supraconductivité. Cette caractéristique, que les deux couches ne possèdent pas individuellement, permet aux électrons de circuler le long du matériau avec une résistance nulle, tout cela à cause de la rupture de symétrie induite par la torsion. Pour un angle de rotation spécifique, les interactions émergentes entre les atomes voisins dans les deux couches définissent une réponse électronique totalement nouvelle.

 

Inspiré par cette démonstration, en 2020 mon groupe a montré qu'un phénomène quelque peu analogue peut se produire non pas pour les électrons mais pour la lumière. Nous avons utilisé un empilement de deux fines couches de trioxyde de molybdène (MoO 3) et tourné l'un par rapport à l'autre. Individuellement, chaque couche est un réseau cristallin périodique, dans lequel les molécules sous-jacentes sont disposées selon un motif répétitif. Lorsque la lumière pénètre dans ce matériau, elle peut exciter les molécules, les faisant vibrer. Certaines longueurs d'onde de lumière, lorsqu'elles sont polarisées dans une direction alignée avec les molécules, provoquent de fortes vibrations de réseau, un phénomène appelé résonance de phonons. Pourtant, la lumière avec la même longueur d'onde et la même polarisation perpendiculaire produit une réponse matérielle beaucoup plus faible car elle n'entraîne pas ces vibrations. Nous pouvons profiter de cette forte asymétrie dans la réponse optique en faisant tourner une couche par rapport à la seconde. L'angle de torsion contrôle et modifie à nouveau la réponse optique de la bicouche de manière spectaculaire, la rendant très différente de celle d'une seule couche.

 

Par exemple, la lumière émise par une molécule placée à la surface d'un matériau conventionnel tel que le verre ou l'argent s'écoule vers l'extérieur en ondulations circulaires, comme lorsqu'une pierre frappe la surface d'un étang. Mais quand nos deux MoO 3les couches sont empilées les unes sur les autres, la modification de l'angle de torsion peut modifier considérablement la réponse optique. Pour un angle de torsion spécifique entre les réseaux cristallins, la lumière est forcée de se déplacer dans une seule direction spécifique, sans se développer en ondulations circulaires - l'analogue de la supraconductivité pour les photons. Ce phénomène ouvre la possibilité de créer des images à l'échelle nanométrique au-delà des limites de résolution des systèmes optiques conventionnels car il peut transporter les détails sous la longueur d'onde d'une image sans distorsion, guidant efficacement la lumière au-delà des limites imposées par la diffraction. La lumière dans ces matériaux est si fortement liée aux vibrations matérielles que les deux forment une seule quasi-particule - un polariton - dans laquelle la lumière et la matière sont fortement entrelacées, offrant une plate-forme passionnante pour les technologies quantiques.

 

SYMÉTRIES DANS LE TEMPS

 

Le rôle de la symétrie dans les métamatériaux ne se limite pas aux symétries spatiales, telles que celles brisées par les rotations géométriques. Les choses deviennent encore plus intéressantes lorsque nous expérimentons la rupture de la symétrie d'inversion du temps.

 

Les équations qui régissent les phénomènes ondulatoires sont typiquement réversibles dans le temps : si une onde peut voyager d'un point A à un point B, elle peut aussi revenir de B à A avec les mêmes caractéristiques. La symétrie d'inversion du temps explique l'attente commune selon laquelle si nous pouvons entendre ou voir quelqu'un, il peut également nous entendre ou nous voir. Briser cette symétrie dans la transmission des ondes, connue sous le nom de réciprocité, peut être important pour de nombreuses applications. Non réciproquela transmission d'ondes radio, par exemple, peut permettre des communications sans fil plus efficaces dans lesquelles les signaux peuvent être transmis et reçus en même temps sans interférence, et cela peut empêcher la contamination par la réflexion des signaux que vous envoyez. La non-réciprocité pour la lumière peut protéger les sources de faisceau laser sensibles des réflexions indésirables et offre le même avantage dans les technologies radar et lidar.

 

Une manière établie de briser cette symétrie fondamentale exploite les phénomènes magnétiques. Lorsqu'une ferrite - un matériau non métallique aux propriétés magnétiques - est soumise à un champ magnétique constant, ses molécules supportent de minuscules courants de circulation qui tournent avec une sensibilité déterminée par l'orientation du champ magnétique. À leur tour, ces courants microscopiques induisent un phénomène appelé séparation de Zeeman : les ondes lumineuses à polarisation circulaire droite (un champ électrique qui tourne dans le sens des aiguilles d'une montre) interagissent avec ces molécules avec une énergie différente des ondes gauches (sens antihoraire). La différence d'énergie est proportionnelle au champ magnétique appliqué. Lorsqu'une onde polarisée linéairement traverse une ferrite magnétisée, l'effet global est de faire tourner la polarisation, à certains égards similaires aux métamatériaux discutés précédemment. La différence fondamentale est qu'ici, la direction de la rotation de polarisation est déterminée par la polarisation magnétique externe, et non par la symétrie brisée dans les constituants du métamatériau. Par conséquent, dans ces matériaux magnétisés, la rotation de polarisation de la lumière a le même sens lorsqu'elle se déplace dans une direction que lorsqu'elle se déplace dans la direction opposée, une caractéristique qui viole la réciprocité. La symétrie d'inversion du temps est maintenant brisée.

 

Nous pouvons exploiter ce phénomène pour concevoir des dispositifs qui permettent aux ondes de se propager dans une seule direction. Pourtant, peu de matériaux naturels possèdent les propriétés magnétiques souhaitées pour obtenir cet effet, et ceux qui le font peuvent être difficiles à intégrer dans les appareils et technologies modernes basés sur le silicium. Au cours des dernières années, la communauté des métamatériaux a travaillé dur pour créer des moyens plus efficaces de briser la réciprocité des ondes sans matériaux magnétiques.

 

Mon groupe a montré que nous pouvons remplacer les minuscules courants circulants dans une ferrite magnétisée par des éléments mécaniquement rotatifs dans un métamatériau. Nous avons obtenu cet effet dans un seul appareil acoustique compact en utilisant de petits ventilateurs d'ordinateur faisant tourner l'air à l'intérieur d'une cavité circulaire en aluminium, créant ainsi un appareil sonore non réciproque unique en son genre. Lorsque nous allumons les ventilateurs, les fréquences auxquelles la cavité résonne sont différentes pour les ondes sonores contrarotatives, de la même manière que la division de Zeeman modifie l'énergie des interactions de la lumière dans une ferrite. De ce fait, une onde sonore dans cette cavité en rotation subit une interaction très différente selon qu'elle se déplace dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre à l'intérieur de celle-ci. Nous pouvons ensuite acheminer les ondes sonores de manière non réciproque - dans un sens uniquement - à travers l'appareil. Remarquablement, la vitesse du flux d'air nécessaire pour créer cet effet est des centaines de fois plus lente que la vitesse des ondes sonores, ce qui rend cette technologie assez simple à développer. De tels dispositifs non réciproques compacts peuvent alors former la base d'un métamatériau, réalisé en connectant ces éléments dans un treillis. Ces réseaux cristallins artificiels transportent le son de manière très inhabituelle et non réciproque, rappelant la façon dont les électrons voyagent avec des caractéristiques uniques dans les isolants topologiques.

 

 

Pouvons-nous utiliser une astuce similaire pour la lumière ? En 2018, le groupe de Tal Carmon à l'Université de Tel Aviv a démontré un effet analogue en faisant tourner la tête de lecture d'un lecteur de disque dur couplé à une fibre optique à des fréquences kilohertz, démontrant une transmission non réciproque de la lumière à travers elle. La configuration des chercheurs a montré que des éléments à rotation mécanique peuvent être utilisés pour forcer la lumière à traverser un appareil dans une seule direction. Une voie sans doute plus pratique consiste à utiliser des métamatériaux constitués de constituants variant dans le temps qui sont activés et désactivés avec des motifs spécifiques dans l'espace, imitant la rotation. Sur la base de ces principes, mon groupe a créé plusieurs technologies qui fonctionnent efficacement comme des dispositifs non réciproques. Leur faible encombrement nous permet de les intégrer facilement dans des systèmes électroniques plus importants.

 

Nous avons également étendu ces techniques à l'émission thermique, le rayonnement de lumière entraîné par la chaleur. Tous les corps chauds émettent de la lumière, et un principe universel connu sous le nom de loi de rayonnement thermique de Kirchhoff stipule que les matériaux réciproques en équilibre doivent absorber et émettre un rayonnement thermique au même rythme. Cette symétrie introduit plusieurs limitations pour les conceptions de dispositifs de gestion de l'énergie thermique et pour les dispositifs de récupération d'énergie tels que les cellules solaires. En employant des principes de conception similaires à ceux décrits précédemment pour rompre la réciprocité lumineuse, nous envisageons des systèmes qui n'obéissent pas à la symétrie entre absorption et émission. Nous pouvons structurer des métamatériaux pour absorber efficacement la chaleur sans avoir besoin de réémettre une partie de l'énergie absorbée vers la source, comme le ferait un matériau normal, augmentant ainsi la quantité d'énergie que nous pouvons récolter.

 

 

BEAUCOUP PLUS DE MERVEILLES

 

Les opportunités offertes par les métamatériaux et les symétries brisées pour manipuler et contrôler les ondes ne s'arrêtent pas là. Les scientifiques ont découvert de nouvelles façons de tromper la lumière et le son, par exemple en combinant des symétries géométriques brisées et des symétries temporelles de manière novatrice. Les métamatériaux peuvent être présents sur les murs et les fenêtres des bâtiments intelligents pour contrôler et acheminer les ondes électromagnétiques à volonté. Les métasurfaces nanostructurées peuvent réduire les configurations optiques volumineuses en dispositifs plus fins qu'un cheveu humain, améliorant ainsi les technologies d'imagerie, de détection et de récupération d'énergie. Les métamatériaux acoustiques et mécaniques peuvent acheminer et contrôler le son avec un degré de contrôle sans précédent. Nous nous attendons à bien d'autres merveilles, étant donné les énormes possibilités qu'offrent les techniques modernes de nanofabrication, notre meilleure compréhension des interactions lumière-matière,

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