Alors que le nouveau domaine passionnant des métamatériaux progresse, Duke est devenu l'un des principaux centres mondiaux de cette recherche. Fondée en 2009, Le Duke's Center for Metamaterials and Integrated Plasmonics (CMIP) s'est développé pour englober des dizaines de chercheurs dédiés à l'exploration de matériaux artificiellement structurés.

Ce que ces différentes technologies de métamatériaux ont en commun, c'est le contrôle des ondes, des vagues d'eau autour de la coque d'un navire, aux fréquences électromagnétiques qui alimentent nos communications, aux ondes sonores mesurées en mètres. Compte tenu de cette portée, les impacts potentiels de ces travaux sont encore hors de mesure.

"Il y a beaucoup de façons de contrôler les vagues, dont beaucoup n'ont pas été pensés auparavant ou vraiment exploités, " a déclaré David R. Smith qui a co-fondé CMIP et a aidé à recruter des collègues partageant les mêmes idées pour Duke. " Les métamatériaux nous ont donné un moyen de gérer les vagues d'une manière vraiment sans précédent. "

Essayer de combler « l'écart térahertz »

Professeur de génie électrique et informatique Willie Padilla, qui est venu à Duke en 2014 du Boston College, concentre son travail à la plus petite échelle de longueurs d'onde. Ses recherches sur les métamatériaux sont les plus proches de celles de David R. Smith, avec qui il a travaillé il y a 15 ans sur les résonateurs à anneau fendu d'origine à l'UC San Diego. Mais Padilla se concentre principalement sur les fréquences térahertz qui se situent entre les micro-ondes et l'infrarouge sur le spectre électromagnétique.

Le régime térahertz a longtemps été ignoré par la science car il se prête mal à la manipulation. Les appareils radio et micro-ondes que nous avons tout autour de nous agissent sur les électrons. Les appareils optiques et infrarouges fonctionnent sur les photons. Mais comme ces appareils tentent de manipuler des photons ou des électrons à des fréquences plus éloignées de leurs zones de confort sur le spectre électromagnétique, ils heurtent un mur et arrêtent de se comporter comme demandé. Entre les tranches de fréquence préférées de ces deux particules se trouve la gamme térahertz.

"Il y a un écart fondamental, ou au moins une pénurie de technologie, dans le domaine térahertz car notre technologie actuelle repose sur ces deux particules fondamentales (l'électron et le photon), " Padilla dit. " Vous ne pouvez pas vraiment combler cette lacune térahertz en soi, mais vous pouvez trouver des moyens de le contourner."

Padilla dit que s'ils peuvent être maîtrisés, les ondes térahertz ont des qualités qui pourraient être utiles. Ils peuvent pénétrer dans les vêtements secs, ce qui en fait un bon choix pour le contrôle dans les aéroports. Ils pourraient également fournir une bande passante beaucoup plus grande pour les communications, bien que leur incapacité à pénétrer l'humidité dans l'air les confinera probablement à des applications intersatellites dans l'espace, pas des applications point à point sur une Terre nuageuse.

Padilla travaille également sur des métamatériaux sans métal conçus pour absorber les ondes électromagnétiques plutôt que pour les focaliser ou les émettre. De tels matériaux pourraient être utiles pour la récupération d'énergie ou des détecteurs qui pourraient rechercher activement des fuites de méthane ou de gaz naturel, surveiller la santé de vastes champs de cultures ou trier rapidement les plastiques pour le recyclage.

"Les caméras infrarouges thermiques sont limitées à la plage infrarouge, " a déclaré Padilla. "Avec ces absorbeurs de métamatériaux, nous pouvons construire des caméras thermiques dans d'autres plages du spectre où cela serait autrement impossible."

Piégeage de la lumière dans des structures nanoscopiques

Le "P" dans l'acronyme CMIP signifie plasmonique, qui est la spécialité de Maiken Mikkelsen, qui a rejoint Duke en 2012. Plasmonics utilise des phénomènes physiques à l'échelle nanométrique pour piéger certaines fréquences de lumière, provoquant une variété de comportements intéressants.

Ceci est accompli en façonnant des cubes d'argent d'une centaine de nanomètres de large et en les plaçant à seulement quelques nanomètres au-dessus d'une fine feuille d'or. Lorsque la lumière entrante frappe la surface d'un nanocube, il excite les électrons de l'argent, piégeant l'énergie de la lumière, mais seulement à une certaine fréquence.

La taille des nanocubes d'argent et leur distance de la couche de base d'or détermine cette fréquence, tout en contrôlant l'espacement entre les nanoparticules permet de régler la force de l'absorption. En adaptant précisément ces espacements, les chercheurs peuvent faire en sorte que le système absorbe ou émette la fréquence de lumière qu'ils souhaitent, depuis les longueurs d'onde visibles jusqu'à l'infrarouge.

La capacité d'absorber ou d'émettre n'importe quelle fréquence de lumière dans ces domaines en adaptant les propriétés structurelles conduit à des idées intéressantes pour les applications. Par exemple, Mikkelsen travaille au développement de la technologie en une nouvelle façon de détecter des images à travers de multiples spectres. De tels appareils d'imagerie peuvent identifier des milliers de plantes et de minéraux, diagnostiquer les mélanomes cancéreux et prévoir les conditions météorologiques, simplement par le spectre de lumière qu'ils reflètent.

Cette application a une longueur d'avance sur les technologies d'imagerie actuelles qui peuvent basculer entre les spectres, car ils sont coûteux et encombrants car ils nécessitent de nombreux filtres ou des montages complexes. Et la nécessité d'un mouvement mécanique dans de tels dispositifs réduit leur durée de vie prévue et peut être un handicap dans des conditions difficiles, telles que celles subies par les satellites.

"Il est difficile de créer des capteurs capables de détecter à la fois le spectre visible et l'infrarouge, " a déclaré Mikkelsen. "Traditionnellement, vous avez besoin de différents matériaux qui absorbent différentes longueurs d'onde, et cela devient encombrant et cher. Mais avec notre technologie, les réponses des détecteurs sont basées sur les propriétés structurelles que nous concevons plutôt que sur les propriétés naturelles d'un matériau. Ce qui est vraiment excitant, c'est que nous pouvons associer cela à un schéma de photodétecteur pour combiner l'imagerie à la fois dans le spectre visible et dans l'infrarouge sur une seule puce."

La technique peut également être utilisée pour l'impression. Au lieu de créer des pixels avec des zones réglées pour répondre à des couleurs spécifiques, Mikkelsen et son équipe créent des pixels avec trois barres constituées de nanocubes d'argent qui absorbent trois couleurs :bleu, vert et rouge. En contrôlant les longueurs relatives de chaque barre, ils peuvent dicter quelle combinaison de couleurs le pixel reflète. C'est une nouvelle approche du schéma RVB classique utilisé pour la première fois en photographie en 1861.

Mais contrairement à la plupart des autres applications, la palette de couleurs plasmonique promet de ne jamais s'estomper avec le temps et peut être reproduite de manière fiable avec une précision élevée à maintes reprises. Il permet également à ses utilisateurs de créer des schémas de couleurs dans l'infrarouge.

"De nouveau, la partie passionnante est de pouvoir imprimer à la fois dans le visible et l'infrarouge en utilisant les mêmes matériaux, " a déclaré Mikkelsen. " Il est assez remarquable de voir comment les propriétés d'une structure peuvent être complètement modifiées par de petits changements dans l'agencement tout en utilisant les mêmes blocs de construction matériels. "

Plier le son comme un hologramme

A l'autre extrême des longueurs d'onde, bien en dehors de l'échelle électromagnétique, Steve Cummer, membre du groupe CMIP, a mis au point des moyens de contrôler le son avec des métamatériaux.

"Je faisais partie de l'équipe Duke travaillant sur le camouflage avec John Pendry et David Smith, et une question naturelle qui est ressortie de ce travail était, pouvez-vous faire le même genre de trucs pour contrôler d'autres types de vagues ?", a déclaré Cummer, qui est professeur de génie électrique et informatique et continue également de travailler avec les métamatériaux électromagnétiques.

"Les ondes sonores étaient un deuxième choix naturel à regarder, " dit Cummer. " Après six mois d'impasses, J'ai finalement trouvé une approche qui a fonctionné et a montré que vous pouvez en fait contrôler les ondes sonores de la même manière, si vous pouvez créer les bonnes propriétés matérielles."

Les bonnes propriétés du matériau se sont avérées être la densité et la rigidité en compression du fluide à travers lequel le son se déplace. Cummer a découvert que, comme pour les métamatériaux électromagnétiques, s'il créait des structures spécifiques avec des matériaux par ailleurs banals, il pouvait contrôler la façon dont les ondes sonores se déplaçaient.

Les structures en plastique colorées que son équipe fabrique avec l'impression 3D ressemblent beaucoup à des blocs Lego qui peuvent être empilés et disposés dans diverses configurations pour obtenir des résultats différents. L'intérieur des blocs de plastique contient des spirales et d'autres formes qui forcent les ondes sonores à emprunter des chemins de longueurs variables. Les différentes longueurs de parcours dans la structure interne de chaque bloc ralentissent les parties d'une onde sonore à des degrés divers, changer la forme de l'onde qui émerge de l'autre côté d'un réseau de blocs.

Dans une étude de validation de principe de 2016, Cummer et son équipe ont construit un mur de tels blocs soigneusement conçus pour sculpter une onde sonore en un hologramme de forme arbitraire, un son façonné. Ils ont choisi de faire la forme de la lettre majuscule A.

"La plupart des gens connaissent les hologrammes faits de lumière, " dit Cummer. " C'est un tour général que l'on peut faire avec toutes sortes de vagues. La clé est de savoir comment utiliser une surface plane pour créer un complexe, champ d'onde tridimensionnel. Nous avons créé une structure de métamatériau acoustique où le son émergeant de l'autre côté est un champ sonore beaucoup plus compliqué. Pendant que nous faisions l'onde sonore prendre la forme de la lettre A, nous pourrions peut-être faire quelque chose comme imiter le champ sonore compliqué produit par un orchestre en direct à partir d'un seul haut-parleur."

D'autres domaines d'application incluent l'insonorisation ou l'absorption acoustique, où des structures plus compactes ne pourraient absorber que les tons indésirables, laissant le reste inchangé. Et si l'idée pouvait être réduite aux dimensions des ultrasons, la technique pourrait permettre plus petit, moins cher, des appareils d'imagerie par ultrasons plus économes en énergie.

Ondulations de l'expérimentation, voyager dans tous les sens

Ailleurs au Centre des Métamatériaux et de la Plasmonique Intégrée, les équipes travaillent sur la transmission d'énergie sans fil, imagerie micro-ondes pour le contrôle de sécurité, enlèvement de sillage dans les navires de haute mer et plus encore. Leurs explorations vont des calculs théoriques aux prototypes à potentiel commercial.

Et le groupe continue de grandir. A l'été 2018, Natalia Litchinitser rejoindra le groupe depuis l'Université de Buffalo. Travaillant également dans le domaine de la photonique optique, Litchinitser poursuit des projets tels que la création d'une lentille en métamatériau capable de résoudre des caractéristiques cellulaires plus petites que la longueur d'onde de la lumière et la technologie de dissimulation qui fonctionne en envoyant la lumière tourner autour d'une longue, objet fin plutôt que de rebondir dessus.

"C'est quelque chose qui a commencé comme une quête très scientifique, recherche très fondamentale, presque philosophique, ", a déclaré Smith. Mais maintenant, des entreprises de métamatériaux émergent. "Le voyage a été spectaculaire, " Smith a dit. " A partir de 'à quoi cela sert-il ?' - qui sait, qui s'en soucie - en vraiment bizarre, idées folles, et maintenant dans la commercialisation réelle raffinée des idées.