La cape invisible !

Je me rappelle quand j'étais encore jeune d'avoir regardé un film intitulé "Le secret du chapeau de furtivité"; là où un bonhomme avait possession d'une poudre miraculeuse qui en arrosant son chapeau avec, il devient invisible. Dans la saga Harry Potter, la cape d'invisibilité est un objet extrêmement rare et précieux. La cape d'invisibilité est fabriquée à partir d'un tissu très léger, d'une teinte argentée et qui donne l'impression de « toucher de l'eau qu'on aurait transformée en étoffe ». A l'époque, je croyais qu'être invisible est un miracle loin de se réaliser dans nos temps même si la science a pu envoyer des navettes dans l'espace, des sous-marins au fond des océans et des nano-robots dans les vaisseaux sanguins. Je me rends compte aujourd'hui que j'ai sous-estimé à tort, le pouvoir de la science et la créativité de l'homme. J'ai participé dernièrement à un séminaire sur la méta-matière. A la fin de cet évènement scientifique, j'ai eu le sentiment que l'impossible est un mot qui n'appartient pas au jargon scientifique. 

La méta-matière (en anglais metamaterials) est une structure spécifique de "matière" généralement composite qui a des propriétés insolites (unusual properties). Les propriétés insolites peuvent être un indice de réfraction négatif, une gravité infinie ou autre [1]. Le terme méta-matière ou metamaterials a été définit en 1999 par le chercheur Rodger M. Walser de l'university of Texas at Austin. Il a définit la méta-matière en tant que:  "Macroscopic composites having a manmade, three-dimensional, periodic cellular architecture designed to produce an optimized combination, not available in nature, of two or more responses to specific excitation." [1]. Autrement, la méta-matière est un composite artificiel ayant une structure cellulaire (i.e. cristalline) périodique qui a été conçu afin de produire une combinaison optimisée, inexistante dans la nature, de deux réponses ou plus à une excitation spécifique. Toutefois actuellement, il n'y a pas une définition standard et universelle au concept de la méta-matière. 

La méta-matière est particulièrement importante vu ses propriétés électromagnétiques fort intéressantes particulièrement dans les domaines de la photonique et de l'optique. En effet, on peut concevoir des composites ayant des propriétés électromagnétiques négatives et qui a une taille beaucoup plus petite que la longueur d'onde radio ou lumineuse (généralement de l'ordre d'un dixième 1/10 la longueur d'onde). La propriété de la taille miniature est en elle-même un défi dans le domaine de télécommunications car actuellement nous avons énormément de problèmes de miniaturisation des éléments radio-fréquence (RF) ce qui condamne toujours la taille des transceivers (émetteurs/récepteurs radio). La méta-matière permet donc de miniaturiser la taille des éléments RF par au moins un facteur de 10, ce qui diminue naturellement la taille des dispositifs et améliore leur intégration dans un seul chip. De l'autre part, la propriété de réfraction négative permet de créer une combinaison de champs magnétique/électrique (M/E) qui obéit à la règle de la main gauche (left-handed), inversement aux matériaux naturels qui donnent des champs M/E obéissant à la règle de la main droite (right-handed). 

Pour illustrer la propriété de réfraction négative de la méta-matière, regardons les figures I [2], II.a [1] et II.b [3] ci-dessous:

Figure I: Schéma de la réfraction positive d'un matériau ordinaire

(a)

(b)

Figure II: Schéma de la réflexion-transmission d'une onde plane lors d'un saut d'indice: réfraction normale à droite, négative réfraction à gauche

Dans un matériau naturel, la loi de Snell-Décartes stipule que si une onde électromagnétique (en particulier un rayon lumineux) traverse la frontière entre un milieu d'indice de réfraction n₁ et un autre milieu d'indice n₂ (où n₂ > n₁), l'onde dévie de la trajectoire d'incidence marquée par l'angle θ₁ et entreprend une nouvelle trajectoire (dite rayon réfléchi) marqué par l'angle θ₂. Selon la loi de Snell-Décartes, nous avons les résultats suivants:

Loi de Snell-Décartes:   

si n₂ > n₁ alors: θ₂ < θ₁ et v₂ < v₁ où v₁ et v₂ sont les vitesses respectives de l'onde électromagnétique dans les milieux 1 et 2 respectivement (i.e., ).

Dans un méta-matériau, bien que l'inégalité θ₂ < θ₁ reste valide, il faut remarquer que: θ₂ < 0 (l'angle de réfraction est négatif et le rayon réfléchi part dans une direction opposée à celle d'un matériau naturel par rapport au plan d'incidence) et n₂ < 0 (caractéristique du méta-matériau).

La propriété de réfraction négative n'est pas la seule des méta-matériaux. En effet, on note d'autres propriétés telles que [4]:

• Leur permittivité ε et leur perméabilité μ sont négatives ;
• Lors de la propagation d'une onde plane dans un méta-matériau, le trièdre formé par les vecteurs (k,E,H) est inversé ;
• Les vitesses de phase et de groupe sont opposées (alors qu'elles sont de même sens dans un milieu classique) ;
• Contrairement aux milieux classiques, ils amplifient les ondes évanescentes.
• L'effet Doppler est inversé ;
• L'effet Tcherenkov est inversé ;
• Il existe des ondes de surface, appelées « plasmons » pour les deux polarisations, qui peuvent être propagatives ou rétro-propagatives ;
• Il existe des modes guidés rétro-propagatifs et des modes à fuite rétro-propagatifs ;

Ces propriétés sont adéquates pour une multitude d'applications dans le domaine des micro-ondes et radio-fréquences. Parmi les applications, on note particulièrement:

• Les dispositifs à haute sélectivité de fréquences,
• Les antennes compactes et directives utilisant un radôme à indice négatif.,
• Pièges à lumière ou électromagnétiques,
• Cape invisible (et oui, ce n'est pas une fiction !), etc.

En variant la permittivité et perméabilité d'un milieu méta-matériel entourant un objet, on peut dévier les ondes électromagnétiques (entre autres les rayons lumineux) dans une autre direction autre que celle de l'objet lui-même (en exploitant la propriété de la réfraction négative). Ces ondes ne toucheront donc pas l'objet et ne seront pas réfléchies ce qui assure sa complète furtivité (voir figure III.a et III.b [5]). Imaginons donc un combrioleur de banque qui pourrait se munir de cette cape imaginaire. Il pourrait mettre toute une économie à genoux avant même qu'on réalise de quoi s'agit-il ! Diverses recherches ont été menées et encore entrain d'être menées à propos de la "cape invisible" particulièrement aux États-Unis, le Canada et l'Angleterre. Quelques résultats de ces recherches ne tarderont pas d'apparaître sur les avions de chasses, les bombardiers et les missiles de croisière. Ca fait des frissons !

(a)

(b)

Figure III: Déviation de la lumière autour d'un objet entouré par un méta-matériau

Une poignée de chercheurs notamment à l'université de Pennsylavanie et Duke University aux États-Unis ont mené des expérimentations concluantes à propos des cloaking devices. Théoriquement, rendre un objet complètement furtif en utilisant un méta-matériau adéquat et proprement conçu est possible. En effet, Nader Engheta, ingénieur de l'université de Pennsylavanie qui détient sa propre recette de cape invisible, affirme que "There are recipes for controlling metamaterials," et "(...) Metamaterials are very interesting products". Dr. David Smith de Duke University pour sa part, affirme que "The cloak would act like you've opened up a hole in space, (...) All light or other electromagnetic waves are swept around the area, guided by the metamaterial to emerge on the other side as if they had passed through an empty volume of space". Sur le plan industriel, John Pendry de l'Imperial College of London explique que "We're very confident that at radar frequencies, these materials can be implemented on a time scale of 18 months or so," [5]. Ce qui exprime le grand intérêt des militaires à une telle technologie prometteuse pas seulement sur le plan tactique mais aussi sur le plan géo-politique.

De tout cela, j'apprends une seule leçon: "Il ne faut jamais que je sous-estime le pouvoir de la science ni l'étendu la créativité de l'être humain".

Références:

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Negative_refractive_index#Negative_refractive_index

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Snell%27s_law

[3] http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9fraction_n%C3%A9gative

[4] http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9tamat%C3%A9riaux

[5] http://www.msnbc.msn.com/id/12961080/

Remerciment:

Je remercie ma compagne Roswell d'avoir rélu et corrigé attentivement cet article.