L'invisibilité par les méta-matériaux

Si un objet parvient à être visible, c'est, comme dit précédemment, parce qu'il réfléchi et réfracte la lumière. L'œil humain peut ainsi le distinguer, car ce dernier est, en quelque sorte, un capteur de lumière. En effet, la rétine, qui joue un rôle d'écran dans l'œil humain, transmet l'image d'un objet au nerf optique, qui va transformer le signal lumineux en message nerveux que ce nerf transmettra par la suite au cerveau. Nous pouvons illustrer cela à l'aide d'un schéma explicatif du fonctionnement de l'œil :

Si la lumière n'atteint pas l'objet, celui-ci ne pourra pas réfléchir la lumière, et notre œil ne pourra pas le percevoir. Pour rendre un objet invisible, il faudrait donc parvenir à dévier la lumière pour que celle-ci ne puisse pas rentrer en contact avec l'objet. Il existe cependant un moyen de dévier les rayons lumineux : les méta-matériaux.

Nous pouvons illustrer ce phénomène grâce au schéma suivant :

1) Les méta-matériaux

Un méta-matériau n'est pas présent dans la nature. C'est un matériau artificiel fabriqué par l'homme. De plus, c'est un matériau dit composite car il est composé de plusieurs matériaux différents. Les méta-matériaux de l'optique utilisent des résonateurs, matériaux composés d'argent ou bien d'or, qui servent à dévier les rayons lumineux. Ces résonateurs existeraient dans le vide, mais pour les rendre réels, il faudrait entourer ces derniers d'une matrice (structure mère qui les feraient tenir). Ces matériaux diffèrent par leurs propriétés électromagnétiques hors du commun, qui ne sont pas présentes dans les matériaux ordinaires.

Exemple de résonateur :

Le fonctionnement est le suivant : au lieu de réfracter la lumière dans la même direction, comme dans un matériau naturel, les méta-matériaux la réfractent dans un sens opposé, ou encore avec un angle négatif, ce qui permet de contrôler la manière dont la lumière va se propager. Le méta-matériau est en quelque sorte un guide d'ondes et est capable de détourner les flux de photons, composants de la lumière.

Exemple de réfraction négative :

Exemple de réfraction négative dans la réalité :

Nous pouvons observer ci-dessous une matrice de méta-matériaux qui permet cette réfraction négative :

2) Pourrait-on créer une cape d'invisibilité ?

La cape d'invisibilité est un sujet que traite de nombreux scientifiques. Nous allons donc vous présenter les avancées scientifiques concernant cette dernière, tout en reliant les méta-matériaux et leurs propriétés à ces avancées scientifiques.

Nous pouvons observer ci-dessous un schéma d'une sphère d'invisibilité :

Sur ce schéma, l'objet qui doit être rendu invisible est représenté par la sphère, placée au centre. Les rayons lumineux déviés sont représentés par les courbes noires qui contournent la sphère, et la matrice faite de méta-matériaux, qui dévie les rayons lumineux, sont représentés par la demi coupole.

a) Les indices de réfraction des méta-matériaux compris entre 0 et 1

On remarque que l'indice de réfraction des méta-matériaux est compris entre 0 et 1, ce qui sort de l'ordinaire car tous les matériaux naturels possèdent un indice de réfraction strictement supérieur à 1. L'indice de réfraction du vide étant de 1, il n'y a pas de polarisation, et plus la polarisation est faible, plus l'indice de réfraction de matériau concerné est petit.

Si l'eau avait les mêmes propriétés qu'un matériau d'indice inférieur à 1, et que l'on y plongeait à moitié un objet, il ne paraîtrait plus orienté vers le fond mais vers la surface. Dans le cas des méta-matériaux, ce sont les résonateurs qui cause cette polarisation inversée. Les charges positives et négatives se déplacent dans le sens inverse de celles des matériaux habituels.

Cette polarisation inversée a pour conséquence un déphasage. Dans une onde, on observe des résonances, associées à des fréquences de résonance. On observe également une fréquence maximum. Au delà de cette dernière, on constate un déphasage.

Schéma explicatif du déphasage des ondes :

b) Le gradient d'indice

Nous ne pouvons pas assimiler le principe de cette cape sans mentionner le gradient d'indice. Il peut être défini comme une variation. Pour créer un gradient d'indice, la couche externe du méta-matériau doit posséder le même indice de réfraction que le milieu dans lequel il se trouve (donc un indice égal à 1 si son milieu est l'air, par exemple). Cet indice doit également être de plus en plus petit au fur et à mesure que l'on s'approche du centre de la structure, et égal à 0 en son centre. C'est la création de ce gradient d'indice qui crée une déviation des rayons lumineux. On retrouve alors dans ce méta-matériau, une structure similaire à celle d'un oignon, faite de nombreuses couches, ayant toutes un indice de réfraction différent. Sur cette image illustrant le gradient d'indice, l'indice de réfraction de la couche extérieure (premier cercle en partant de l'extérieur) serait de 1 et celui de la couche intérieure, (dernier cercle en partant de l'extérieur), de 0.

Les rayons lumineux sont alors déviés par les phénomènes expliqués précédemment (polarisation inversée et gradient d'indice). Une fois le méta-matériau dépassé, les rayons lumineux reprennent une trajectoire normale.

Il est aujourd'hui possible d'appliquer ces méta-matériaux au domaine des micro-ondes. En effet, des chercheurs nommés John Pendry, David Shurig et David Smith sont parvenus à fabriquer une cape d'invisibilité, mais qui se limite au domaine des micro-ondes, c'est-à-dire que la structure placée au centre de la sphère d'invisibilité n'est pas atteinte par ce type d'onde, bien qu'elle soit toujours atteinte par les ondes lumineuses. Ce choix est dû à la longueur d'onde de ces micro ondes, qui est nettement supérieure à celle de la lumière (entre 1 mm et 10 cm), ce qui rend possible une modification de la réfraction avec des structures plus grandes.

Rappel sur les types d'ondes :

Les ondes visibles sont comprises entre les rayons ultraviolets et les rayons infrarouges (entre 400 et 800 nm), les ondes micro-ondes se trouvant bien au delà des rayons infrarouges, elles ne sont pas perceptibles par nos yeux.

Sa création n'a pu être réalisée qu'en deux dimensions, ce qui nous permet de qualifier l'expérience des scientifiques de test pour confirmer leurs hypothèses.

Voici le méta-matériau conçu par les chercheurs :

Une illustration peut permettre une meilleure compréhension de l'expérience menée à bien par les scientifiques :

Sur cette illustration, les ondes micro-ondes sont représentées par des bandes de couleur jaune et bleu, et se déplacent de gauche à droite. La partie du bas représente le comportement de ces ondes en l'absence de la sphère d'invisibilité. Sur la partie du haut, le cercle représente la sphère d'invisibilité au centre de laquelle on a placé l'objet à rendre invisible. On remarque qu'à la sortie de la sphère, les ondes sont pratiquement similaires à celles de l'image du bas ; elles se comportent comme si elles n'avaient traversé aucune structure. Elle ont été déviées par la sphère. Cette expérience a donc permis de rendre l'objet placé au centre du méta matériau pratiquement invisible aux rayonnement micro-onde. Bien que ce modèle d'invisibilité ne soit pas parfait, il est néanmoins épatant et surtout très prometteur. Nous avons achevé nos recherches sur le domaine des micro-ondes, mais qu'en ait-il du domaine du visible ?

La longueur d'ondes des ondes du domaine du visible étant plus petite que celle des ondes du domaine des micro-ondes, il est plus difficile à manipuler. Cependant, des chercheurs sont parvenus à mettre en œuvre une expérience dans le domaine de l'infrarouge. De plus, il faut que la structure fonctionne sur toutes les fréquences du visible, pour que la cape d'invisibilité soit valable pour toutes les couleurs qui composent la lumière, sinon elle ne fonctionnerait que pour le rouge ou le jaune. Le problème majeur est le suivant : les longueurs d'ondes du domaine du visible se situent entre 400 nm et 800 nm, et la création d'une structure à une échelle comme celle-là est un véritable défi, car les nanotechnologies viennent tout juste de faire leur apparition. En effet, la structure du méta-matériau doit être plus fine encore que la longueur d'onde du rayonnement. Cette longueur d'onde étant de moins d'un micron pour le rayonnement optique, il faudrait que la structure du méta matériau mesure une dizaine de nanomètres, ce qui reste infaisable aujourd'hui.