Métamatériaux pour manipuler la lumière :a) le camouflage naturel d'un céphalopode qui peut changer la couleur et la texture de la peau en réponse à un stimulus externe et s'adapter à l'environnement externe, b) un exemple d'un métadispositif laplacien antérieur connecté et contrôlé par un réseau de portes programmables sur le terrain (FPGA) complexe, c) démonstration schématique d'un métadispositif d'illusion plus simple et programmable par la lumière proposé dans l'étude, d) un exemple schématique montrant une illusion créée en manipulant les coordonnées de la lumière. Crédit: Rapports scientifiques , doi:10.1038/s41598-018-30612-5
Pour activer la réfraction négative et les illusions d'optique associées, les métamatériaux sont artificiellement conçus avec des propriétés uniques qui résultent de leurs structures physiques internes, plutôt que leur composition chimique. Le concept est attribué à une expérience menée par le scientifique soviétique Victor Veselago en 1968 pour montrer que les matériaux à réfraction négative (par opposition à l'indice de réfraction positif généralement observé) pour créer un indice négatif « superlentille » pourraient être atteints lorsque la permittivité électrique (ε ) et la perméabilité magnétique (µ) d'un matériau étaient négatives. Trente-trois ans après la proposition conceptuelle, les travaux pionniers du physicien John Pendry ont permis le développement de métamatériaux comme l'imaginait Veselago, un matériau composite à indice de réfraction négatif offrant une résolution considérablement améliorée.
Le nouveau paradigme de la science des matériaux s'appelait « métamatériaux, " du mot grec métamorphose pour désigner un changement de condition. Les chercheurs en métamatériaux cherchent à construire de nouveaux matériaux à partir d'objets artificiels dotés de propriétés au-delà du conventionnel. Des décennies plus tard, le travail continue de susciter un nouvel intérêt en raison des avancées dans le domaine des métamatériaux, qui incluent des méta-dispositifs qui sont des extensions logiques du concept d'exploitation des fonctionnalités inhérentes au cadre métamatériel. Le domaine a considérablement progressé ces dernières années, passant de l'optique de transformation à la manipulation des propriétés électromagnétiques et à l'induction de la transparence pour créer des capes d'invisibilité, suscitant énormément d'attention, en allant vers accordable, commutable, fonctionnalités non linéaires et de détection.
En pratique, les dispositifs photoniques ont de larges implications avec le potentiel de répondre aux demandes croissantes de transfert d'informations plus rapide en supprimant le goulot d'étranglement des réseaux de télécommunications optiques à base de fibres, et même permettre le camouflage militaire. Les tâches peuvent être accomplies avec de solides, non-linéarités rapides pour commuter la lumière avec la lumière, et un meilleur contrôle des propriétés électromagnétiques des métamatériaux avec des stimuli externes tels que des signaux électriques. Maintenant en train d'écrire Rapports scientifiques , Cheng-Wei Qiu et ses collègues ont développé une méthode expérimentale pour incorporer plusieurs fonctions dans un métadispositif passif à courant continu (CC) laplacien utilisant un éclairage lumineux sans contact physique.
Pour démontrer la preuve de concept, l'équipe de scientifiques a fabriqué un réseau dans lequel les données de mesure concordaient exceptionnellement bien avec les prédictions théoriques et les résultats de simulation. L'expérience a été rendue possible par une analogie entre les matériaux électriquement conducteurs et les réseaux de résistances. Les chercheurs ont cherché à concevoir, fabriquer et tester un métadispositif en utilisant la théorie des circuits. La capacité de manipuler des courants permanents en contrôlant les conductivités anisotropes a de nombreuses applications potentielles; l'objectif de l'étude était de concevoir des camouflages programmables légers, illusion complète et illusion partielle pour permettre le camouflage. Le schéma proposé peut ouvrir de nouvelles voies vers le contrôle multiphysique sans contact des fonctions pour toutes sortes de champs laplaciens, y compris les champs magnétiques CC et les champs thermiques.
Comme une simple démonstration du concept théorique proposé, les scientifiques ont réalisé expérimentalement un métadispositif utilisant un réseau de résistances composé de huit résistances, accordable par éclairage lumineux, pour télécommande sans contact. Lors de la vérification expérimentale, Han et al., utilisé des résistances à film métallique commerciales en parallèle avec des résistances dépendantes de la lumière pour obtenir des performances optiquement contrôlées. Comme référence, ils ont également fabriqué une cape DC, sans photorésistances intégrées. La configuration expérimentale utilisait une alimentation CC avec une amplitude de 5 V comme source et la tension était mesurée à l'aide d'un multimètre à 4,5 chiffres. Lorsque la distribution de tension a été simulée pour la cape CC de référence, les distributions potentielles à l'extérieur du manteau restituées exactement à celles de l'espace homogène, pour rendre le composant central du dispositif invisible à l'observateur extérieur. De la même manière, le résultat mesuré pour la cape DC de référence fabriquée a démontré d'excellentes performances d'occultation en bon accord avec sa simulation.
Preuve de concept :a) une photographie du métadispositif à lumière programmable fabriqué combinant des matériaux électriquement conducteurs avec un réseau de résistances (des résistances photosensibles sont visibles en médaillon), un manteau DC de référence est vu ci-dessous - fabriqué sans photorésistances b) illustration schématique du montage expérimental, les lignes vertes indiquent les résistances dépendantes de la lumière (RL) en parallèle aux résistances commerciales (R) dans le métadispositif programmable léger, c) la distribution de tension simulée pour le manteau CC de référence, d) la tension mesurée correspondant à (c). Les lignes équipotentielles sont représentées en blanc dans le panneau. Crédit: Rapports scientifiques , doi:10.1038/s41598-018-30612-5
Des résultats similaires ont été observés pour les performances du métadispositif à lumière contrôlée proposé, montrant un excellent accord entre l'expérience et la simulation. Intentionnellement, le métadispositif devait agir comme un dispositif d'illusion en champ clair (transformer une perception réelle en une perception arbitrairement pré-contrôlée) et devenir invisible en champ sombre (réalisé expérimentalement en utilisant un matériau opaque pour couvrir le dispositif). Le métadispositif a pu basculer entre la dissimulation et l'illusion, dans un temps de réponse de 0,2 seconde, basé sur un éclairage lumineux.
En outre, les auteurs ont pu démontrer une illusion partielle lorsqu'une partie du métadispositif était exposée à un fond clair, dans laquelle les simulations numériques et les données de mesure étaient à nouveau en excellent accord, démontrer la propriété contrôlable et flexible du schéma proposé. Dans l'étude, les simulations étaient basées sur la méthode des éléments finis (FEM). Toutes les résistances étaient des résistances à film métallique commerciales avec une précision de 1% avec des résistances sensibles à la lumière en parallèle pour réaliser le métadispositif à lumière contrôlée proposé par la théorie des circuits. L'idée peut être étendue à d'autres champs régis par l'équation de Laplace, notamment les champs magnétiques et thermiques.
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