Des chercheurs du Département de l'énergie des Etats-Unis ont réussi, pour la première fois, à développer un matériau d’indice de réfraction négatif en lumière visible. Le physicien Costas Soukoulis du Laboratoire Ames, en collaboration avec des chercheurs de Karlsruhe en Allemagne, a conçu un matériau maillé à base d’argent, qui marque la dernière avancée en date dans le domaine en pleine évolution des métamatériaux, dont les applications s’étendent des systèmes d’imagerie à ultra haute résolution aux dispositifs d’invisibilité.
La découverte, publiée dans les éditions de début janvier 2007 de Science et de Optical Letters, est un pas en avant important par rapport aux métamatériaux actuels qui ne fonctionnent que pour des régions invisibles du spectre (micro-onde ou infrarouge lointain). Ces matériaux, annoncés l’été dernier, sont à la base des recherches pour l’élaboration d’un dispositif d'invisibilité.
Les métamatériaux, également connus sous le nom de matériaux "main-gauche", sont des matériaux produits artificiellement qui possèdent des propriétés optiques que ne possèdent pas les matériaux naturels. Ces deniers réfractent la lumière, ou les radiations électromagnétiques, dans une même direction qu’un rayon incident (voir illustration) sous différents angles et vitesses. Les métamatériaux, quant à eux, permettent de réfracter la lumière dans une direction opposée, ou avec un angle négatif. Cette caractéristique donne aux scientifiques la possibilité de contrôler la lumière de la même façon que l’électricité peut être contrôlée grâce aux semi-conducteurs.
Schéma de la réflexion-transmission d'une onde plane lors d'un saut d'indice:
réfraction normale à droite, réfraction négative à gauche
“Les matériaux main-gauche permettront dans le futur le développement d'un type de super lentilles planes opérant dans le spectre visible”, déclare Soukoulis. "Une telle lentille offrirait une résolution supérieure à celle permise par la technologie actuelle, et discernerait des détails de taille beaucoup plus petite que celle de la longueur d'onde de lumière utilisée".
Le défi auquel font face les chercheurs est de fabriquer ces métamatériaux de sorte qu'ils réfractent la lumière à des longueurs d'onde toujours plus petites. La conception en "résille" développée par le groupe de Soukoulis et produite par les chercheurs Stefan Linden et Martin Wegener de l'université de Karlsruhe a été réalisée par gravure d’un réseau de trous dans des couches de fluorure d'argent et de magnésium sur un substrat de verre. Les trous font environ 100 nanomètres de diamètres. Pour fixer les idées, l’épaisseur d’un cheveu est d’environ 100 000 nanomètres.
“Nous avons fabriqué pour la première fois un métamatériau d’index de réfraction négatif (-0.6) fonctionnant dans le rouge lointain du spectre visible (longueur d'onde 780 nm)”, indique Soukoulis. “C'est la plus petite longueur d'onde obtenue jusqu'à aujourd’hui”.
Bien que l'argent utilisé dans le matériau en résille offre moins de résistance que l’or, utilisé habituellement, quand il est soumis au rayonnement électromagnétique, la déperdition d'énergie est toujours un facteur limiteur important. Les difficultés de fabrication de ces matériaux à une si petite échelle limitent également les tentatives d’exploiter la lumière à des longueurs d'onde toujours plus petites.
“Actuellement, les matériaux que nous pouvons fabriquer pour les longueurs d'onde optiques ne fonctionnent que dans un seul sens”, explique Soukoulis, “mais nous avons tout de même parcouru un long chemin en six ans”.
“Cependant, pour que des applications effectives puissent voir le jour, plusieurs objectifs doivent encore être atteints”, ajoute-t-il. “D'abord, diminuer les pertes en utilisant des métaux cristallins et/ou en introduisant des matériaux amplificateurs optiques ; ensuite développer des structures isotropes tridimensionnelles plutôt que planes ; et enfin trouver les moyens de produire en masse des structures de plus grande taille”.
