Si les capes d'invisibilité et d'autres applications gee-whiz doivent un jour passer de la science-fiction aux faits scientifiques, nous devrons en savoir plus sur le fonctionnement réel de ces étranges métamatériaux. La chercheuse de Michigan Tech, Elena Semouchkina, est revenue à l'essentiel et a fait la lumière sur la physique derrière la magie.

Les métamatériaux offrent la possibilité très réelle que nos fantaisies les plus farfelues puissent un jour devenir réelles comme des roches. Des capes d'invisibilité et des lentilles parfaites aux batteries extrêmement puissantes, leurs applications super puissantes éveillent l'imagination. Cela dit, jusqu'à présent, "tenter" a été le mot clé, même si les scientifiques étudient les métamatériaux depuis plus de 15 ans.

"Peu de vrais dispositifs métamatériaux ont été développés, " dit Elena Semouchkina, professeur agrégé de génie électrique à l'Université technologique du Michigan. Les soldats ne peuvent pas jeter des capes d'invisibilité sur leurs épaules pour échapper aux tirs de sniper, et aucune application d'objectif parfait ne vous permet de voir les virus avec votre smartphone. En partie, c'est parce que traditionnellement, les chercheurs simplifient excessivement le fonctionnement réel des métamatériaux. Semouchkina dit que leurs complications ont souvent été ignorées.

Elle et son équipe ont donc entrepris d'enquêter sur ces complications et ont découvert que la magie des métamatériaux est entraînée par plus d'un mécanisme physique. Un article décrivant leurs recherches a récemment été publié en ligne par le Journal of Physics D :Physique appliquée .

Simple!

Les métamatériaux peuvent sembler complexes et futuristes, mais le contraire est plus proche de la vérité, dit Semouchkina. Les métamatériaux ("méta" est le mot grec pour "au-delà") sont des matériaux d'ingénierie qui ont des propriétés que l'on ne trouve pas dans la nature. Ils sont généralement construits de plusieurs éléments identiques façonnés à partir de matériaux conventionnels, tels que les métaux ou les matériaux non conducteurs. Pensez à un Rubik's cube composé de millions d'unités plus petites que l'épaisseur d'un cheveu humain.

Ces matériaux de conception fonctionnent en pliant les chemins du rayonnement électromagnétique, des ondes radio à la lumière visible en passant par les rayons gamma à haute énergie, de manières nouvelles et différentes. La façon dont les métamatériaux courbent ces chemins - un processus appelé réfraction - détermine leurs applications particulières. Par exemple, une cape d'invisibilité en métamatériau courberait les chemins des ondes lumineuses autour d'un objet masqué, en les accélérant sur leur chemin, et les réunir de l'autre côté. Ainsi, un spectateur pouvait voir ce qu'il y avait derrière l'objet, tandis que l'objet lui-même serait invisible.

L'approche conventionnelle parmi les chercheurs en métamatériaux a été de relier les propriétés de réfraction d'un métamatériau à la résonance. Chaque minuscule bloc de construction du métamatériau vibre comme un diapason lorsque le rayonnement électromagnétique le traverse, provoquant le type de réfraction souhaité.

Mais pas si simple. . .

Semouchkina s'est demandé s'il pourrait y avoir des facteurs supplémentaires impliqués dans la flexion des chemins des vagues.

"Les métamatériaux semblent simples, mais leur physique est plus compliquée, " elle dit, expliquant qu'elle et son équipe se sont concentrées sur les métamatériaux diélectriques, qui sont constitués d'éléments qui ne conduisent pas l'électricité.

L'équipe a effectué de nombreuses simulations informatiques et a fait une découverte surprenante :c'est la forme et l'organisation répétitive des éléments constitutifs du métamatériau - leur périodicité - qui ont affecté la réfraction. La résonance semblait avoir peu ou rien à voir avec cela.

Les métamatériaux qu'ils ont étudiés présentaient des caractéristiques d'un autre type de matériau artificiel, cristaux photoniques. Comme les métamatériaux, les cristaux photoniques sont constitués de nombreuses cellules identiques. En outre, ils se comportent comme les semi-conducteurs utilisés en électronique, sauf qu'ils transmettent des photons au lieu d'électrons.

"Nous avons découvert que les propriétés associées au fait d'être un cristal photonique peuvent masquer la résonance des métamatériaux, au point qu'ils peuvent provoquer une réfraction inhabituelle, y compris une réfraction négative, ce qui est nécessaire pour le développement d'une lentille parfaite, " dit Semouchkina.

Retour aux sources

Alors qu'est-ce que cela signifie pour les scientifiques et les ingénieurs qui conçoivent les supermatériaux de demain ?

"Essentiellement, nous devons reconnaître que certaines de ces structures peuvent présenter des propriétés de cristaux photoniques, et nous devons tenir compte de leur physique, " dit Semouschkina. " C'est un domaine en pleine évolution, et c'est beaucoup plus compliqué qu'on ne le croit."

L'équipe de Semouchkina travaille au développement de capes d'invisibilité utilisant des cristaux photoniques, mais elle souligne que la recherche sur les métamatériaux peut avoir d'autres applications dans le monde réel. L'un de ses projets porte sur l'utilisation de concepts de métamatériaux pour améliorer la sensibilité de l'imagerie par résonance magnétique (IRM), ce qui pourrait conduire à de meilleurs diagnostics médicaux et à des avancées dans la recherche biologique.

"C'est un résultat très pratique, par rapport aux trucs d'Harry Potter, " elle dit.

Comprendre la physique sous-jacente des métamatériaux accélérera le développement de tels dispositifs.