(a) La lumière d'une longueur d'onde de 700 nm se déplaçant de bas en haut est déformée lorsque le rayon du cylindre (au milieu) est de 175 nm. (b) Il n'y a pratiquement pas de distorsion lorsque le cylindre a un rayon de 195 nm. Ces images correspondent aux conditions d'invisibilité prédites par le calcul théorique. Crédit: Physique Appliquée Express
Une paire de chercheurs de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) décrit un moyen de faire disparaître un cylindre de taille submicronique sans utiliser de revêtement spécialisé. Leurs découvertes pourraient permettre l'invisibilité des matériaux naturels à fréquence optique et éventuellement conduire à un moyen plus simple d'améliorer les dispositifs optoélectroniques, y compris les technologies de détection et de communication.
Rendre les objets invisibles n'est plus de la fantaisie mais une science en évolution rapide. Des « capes d'invisibilité » utilisant des métamatériaux - des matériaux d'ingénierie capables de courber les rayons de lumière autour d'un objet pour le rendre indétectable - existent maintenant, et commencent à être utilisés pour améliorer les performances des antennes satellites et des capteurs. Cependant, bon nombre des métamatériaux proposés ne fonctionnent qu'à des gammes de longueurs d'onde limitées telles que les fréquences micro-ondes.
Maintenant, Kotaro Kajikawa et Yusuke Kobayashi du département d'ingénierie électrique et électronique de Tokyo Tech rapportent un moyen de rendre un cylindre invisible sans cape pour un éclairage monochromatique à fréquence optique - une gamme plus large de longueurs d'onde, y compris celles visibles à l'œil nu.
Ils ont d'abord exploré ce qui se passe lorsqu'une onde lumineuse frappe un cylindre imaginaire d'une longueur infinie. Basé sur une théorie électromagnétique classique appelée diffusion de Mie, ils ont visualisé la relation entre l'efficacité de diffusion de la lumière du cylindre et l'indice de réfraction. Ils ont recherché une région indiquant une efficacité de diffusion très faible, dont ils savaient qu'il correspondrait à l'invisibilité du cylindre.
Après avoir identifié une région appropriée, ils ont déterminé que l'invisibilité se produirait lorsque l'indice de réfraction du cylindre varie de 2,7 à 3,8. Certains matériaux naturels utiles entrent dans cette gamme, comme le silicium (Si), l'arséniure d'aluminium (AlAs) et l'arséniure de germanium (GaAs), qui sont couramment utilisés dans la technologie des semi-conducteurs.
Animation de simulations informatiques Crédit :Kotaro Kajikawa
Ainsi, contrairement aux procédures de fabrication difficiles et coûteuses souvent associées aux revêtements de métamatériaux exotiques, la nouvelle approche pourrait fournir un moyen beaucoup plus simple d'atteindre l'invisibilité.
Les chercheurs ont utilisé une modélisation numérique basée sur la méthode Finite-Difference Time-Domain (FDTD) pour confirmer les conditions permettant d'atteindre l'invisibilité. (Voir Figure/Animation.) En examinant de près les profils de champ magnétique, ils en ont déduit que "l'invisibilité provient de l'annulation des dipôles générés dans le cylindre".
Bien que des calculs rigoureux de l'efficacité de diffusion n'aient été possibles jusqu'à présent que pour les cylindres et les sphères, Kajikawa note qu'il est prévu de tester d'autres structures, mais ceux-ci nécessiteraient beaucoup plus de puissance de calcul.
Pour vérifier les résultats actuels dans la pratique, il devrait être relativement facile de réaliser des expériences en utilisant de minuscules cylindres en silicium et en arséniure de germanium. Kajikawa déclare :« Nous espérons collaborer avec des groupes de recherche qui se concentrent désormais sur de telles nanostructures. Ensuite, la prochaine étape serait de concevoir de nouveaux dispositifs optiques."
Les applications optoélectroniques potentielles peuvent inclure de nouveaux types de détecteurs et de capteurs pour les industries médicales et aérospatiales.
