Inspiration biologique, vue schématique, et échantillon pratique d'une cape d'invisibilité aux micro-ondes optiquement transparente. (A) Photo du crustacé amphipode hyperidae Cystisoma, qui vit dans un milieu océanique entre les eaux. Crédit photo :David Liittschwager, utilisé avec autorisation. (B) Schéma de la cape d'invisibilité aux micro-ondes optiquement transparente. Ce manteau peut dissimuler des objets aux phases et amplitudes micro-ondes préservées (faisceaux verts d'angle incident α et d'angle réfléchi ϕ). À la fois, la cape peut garantir que les observateurs internes voient clairement les avions externes (faisceaux bleus) et peut diminuer la diffusion optique (faisceaux jaunes). (C) Exemple de la cape d'invisibilité aux micro-ondes optiquement transparente. L'insigne métallique avec les mots « Jilin University » représente un objet caché à l'intérieur. La section agrandie présente une vue schématique des métasurfaces composées de réseaux nano-Ag/Ni. Crédit photo :Fu-Yan Dong, Université de Jilin. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb3755
L'invisibilité est une stratégie d'autoprotection supérieure d'intérêt de longue date dans les universités et l'industrie, bien que le concept soit jusqu'à présent le plus couramment rencontré dans la science-fiction. Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques , Su Xu et ses collègues en ingénierie, nanotechnologie, la nanobionique et l'information quantique en Chine ont été inspirées par la relation écologique naturelle entre les animaux océaniques transparents et leurs prédateurs qui utilisent une stratégie de détection de longueur d'onde croisée. Les scientifiques ont proposé un nouveau concept d'invisibilité à longueur d'onde croisée qui intégrait une variété de tactiques d'invisibilité. Ils ont présenté une stratégie de conception de métamatériaux booléens pour équilibrer les exigences divergentes en matière de matériaux à travers les longueurs d'onde. Comme preuve de concept, ils ont démontré simultanément le masquage des ondes longues et la transparence des ondes courtes à l'aide d'une technique de nanoimpression. Le travail a étendu les techniques de furtivité des stratégies individuelles d'invisibilité ciblant un spectre à longueur d'onde unique à l'invisibilité intégrée ciblant les applications à longueur d'onde croisée. Ces expériences ouvriront la voie au développement de métadispositifs intégrés à longueur d'onde croisée.
Devenir transparent
Permettre le passage de la lumière à travers le corps est une stratégie d'autodéfense supérieure dans l'océan pour les organismes pélagiques. Par exemple, le crustacé amphipode Cystisoma est principalement transparent à part certains organes nécessaires, y compris les yeux, pour éviter la détection par les prédateurs. Cependant, quelques prédateurs peuvent encore détecter et attaquer avec succès des proies transparentes grâce à leur vision interspectrale. Si les proies pouvaient se dissimuler complètement en équilibrant l'interaction proie-prédateur pour surmonter la vision transspectrale des prédateurs, leurs taux de survie seront beaucoup plus élevés. Xu et al. ont été bioinspirés par cette relation écologique lorsqu'ils ont proposé un concept d'invisibilité entre les longueurs d'onde qui intégrait simultanément le masquage des ondes longues et la transparence des ondes courtes. La nouvelle stratégie complète les stratégies traditionnelles existantes de camouflage adaptatif de type caméléon et de cape d'invisibilité contournant les vagues. Dans ce travail, les scientifiques brisent la relation écologique existante en tentant de cacher la proie transparente à la vision transspectrale de leurs prédateurs. Par conséquent, cette philosophie de l'invisibilité sera importante pour les technologies furtives pratiques.
Procédure de conception de métamatériaux booléens pour une cape micro-ondes optiquement transparente. (A et B) Schéma de la maille élémentaire de métasurface pour le régime micro-onde et les déphasages sous différents angles d'incidence :(A) pour l'incidence polarisée TE et (B) pour l'incidence polarisée TM. La ligne pointillée indique la valeur de compensation de phase théoriquement idéale à =10°. (C) Ingénierie de dispersion à échelle croisée avec des nanostructures d'argent. La structure en argent ( ωp =1,39 × 1016 s−1 et ωc =3,22 × 1013 s−1) a une géométrie de tm =8 m et pm =200 μm, et wm/pm varie de 0,001 à 0,2. σmicrow et σopt représentent les conductivités à 7 GHz et 580 nm, respectivement. Le substrat sous-jacent n'est pas considéré ici. (D) Multiplication booléenne (notée ∧) effectuée pour fusionner les structures avec une dispersion d'ingénierie à bande unique dans une métastructure intégrée avec une dispersion d'ingénierie à échelle croisée. M(xm, moi, zm), V(xv, yv, zv), et BM(xbm, ybm, zbm) sont les coordonnées du régime hyperfréquence, le régime visible, et la structure finale, respectivement. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb3755 
La stratégie proposée ici vise à concrétiser des concepts restés jusqu'à présent ancrés dans la science-fiction. Par exemple, Xu et al. imaginer leur philosophie d'invisibilité pour contribuer au développement d'un futuriste, avion furtif transparent dans le laboratoire, où les pilotes pourront visualiser librement leur environnement sans détection via le système radar à micro-ondes. L'équipe a construit le dispositif expérimental en utilisant des fils microscopiques d'argent/nickel pour assurer une conductivité optique extrêmement faible avec la fabrication par nanoimpression. Les résultats ont démontré une transparence optique de 400 nm à 760 nm, et une diffusion significativement réduite dans le régime hyperfréquence de 6 à 10 GHz. L'équipe pouvait pénétrer le manteau transparent avec de la lumière visible (rayons bleus et jaunes) avec une perte négligeable, permettant à l'observateur interne de voir librement l'extérieur. L'équipe a conçu la cape d'invisibilité aux micro-ondes optiquement transparente avec deux métasurfaces imprimées sur des films de polyéthylène téréphtalate (PET) flexibles et isolées par un espaceur PET incurvé. La couche interne de la métasurface a agi comme une frontière de conducteur élastique parfait (PEC), tandis que les résonateurs annulaires externes sur la métasurface ont fourni des effets de compensation de phase et de préservation d'amplitude appropriés.
Réponse en phase et en amplitude des résonateurs en anneau après la procédure booléenne. (A) Atténuation d'amplitude d'une onde réfléchie pour diverses résistances de feuille. L'amplitude est moyennée sous incidence de polarisation TE (θ =20° et 40°), et les courbes en pointillés sont des ajustements à partir de simulations. L'encart montre l'amplitude moyenne des résonateurs en anneau pour la structure pratique après la procédure booléenne avec θ =0°, 10°, 20°, 30°, et 40° pour l'éclairage TE et TM à 7 GHz. (B et C) Réponses de phase pour la polarisation TE et TM. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb3755
Ingénierie de la réponse électromagnétique et développement du manteau micro-ondes optiquement transparent
Xu et al. a conçu la réponse électromagnétique pour l'invisibilité des micro-ondes selon la loi de Snell généralisée et a utilisé huit types de résonateurs en anneau pour construire la cape. La conception de cellules unitaires uniquement pour l'invisibilité des micro-ondes était insuffisante pour réaliser l'invisibilité des longueurs d'onde croisées. Par conséquent, l'équipe a adopté une stratégie de conception de métamatériaux booléens pour fusionner les méta-structures afin d'obtenir une fonctionnalité intégrée à bande unique. Pour y parvenir, ils ont intégré les méta-structures pour le régime hyperfréquence et le régime visible en adoptant une multiplication logique booléenne (notée ∧ ou AND) dans un circuit intégré. Les métastructures intégrées étaient égales au réseau métallique macroscopique formé par des fils métalliques microscopiques cartographiés présentant une conductivité électrique locale extrêmement élevée tout en préservant une conductivité optique globale extrêmement faible.
La capacité de transparence de la cape d'invisibilité aux micro-ondes optiquement transparente obtenue à l'aide d'une micro caméra de surveillance sans fil. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb3755
Pour construire le manteau micro-ondes optiquement transparent, l'équipe a choisi une technique de nanoimpression avancée qui a fourni une métasurface de grande surface pour dissimuler des objets macroscopiques et permettre la fabrication de haute précision des fils métalliques microscopiques à l'échelle microscopique. Ils ont effectué une caractérisation optique de la couche externe en utilisant la microscopie électronique à balayage (MEB). Les scientifiques ont développé le contour du résonateur annulaire microscopique avec des fils circulaires métalliques et ont orienté plusieurs fils de court-circuit dans la direction radiale pour connecter les fils métalliques circulaires. L'équipe a mené un test sur le terrain pour prouver expérimentalement la vision optique transparente de la cape optiquement transparente par rapport aux observations directes sans la cape pour permettre à l'utilisateur de voir à travers la cape avec une distorsion minimale.
Technologie furtive
Les scientifiques ont montré expérimentalement les performances de dissimulation des micro-ondes sous une incidence polarisée électrique transversale (TE) et magnétique transversale (TM) et ont étudié la réduction totale de la diffusion de l'échantillon sur différentes fréquences. La phase et l'amplitude de l'onde réfléchie par la cape ressemblaient beaucoup à l'onde réfléchie par le plan de masse, entraînant une réduction substantielle de la diffusion totale. De cette façon, le manteau a diminué la diffusion totale de l'objet au-delà de la gamme de fréquences de 6 à 10 GHz. Les résultats ont montré la réalisation de l'invisibilité des longueurs d'onde croisées avec une amplitude préservée et une phase non déformée aux fréquences micro-ondes, ainsi qu'une transparence omnidirectionnelle sur tout le spectre visible. Par rapport aux manteaux de tapis développés dans le passé, ce travail a présenté une démonstration expérimentale pour atteindre l'invisibilité à travers les régions de longueur d'onde croisée en combinant plusieurs schémas d'invisibilité. La technologie furtive détaillée ici sera plus accessible avec les technologies avancées de nanofabrication.
Caractérisation optique de la cape. (A) photo SEM de l'anneau 1 avec le plus petit rayon (0,5 mm); barre d'échelle, 100 µm. (B) photo SEM de la couche quasi-PEC; barre d'échelle, 100 µm. Les médaillons montrent une vue rapprochée des fils métalliques et de leurs connexions électriques fiables; barre d'échelle, 10 µm. (C) Transparence optique de la métasurface de la couche externe (ligne continue noire), film quasi-PEC (ligne pointillée orange), et structure bicouche (ligne pointillée jaune). La transparence de la bicouche est égale à celle des résonateurs en anneau multipliée par celle du film quasi-PEC. (D) Preuve expérimentale de la façon dont un observateur interne voit à travers la cape par rapport à (E) le cas de l'observation directe sans la cape. Crédit photo :Fu-Yan Dong et Dong-Dong Han, Université de Jilin. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb3755
En combinant le masquage des ondes longues et la transparence des ondes courtes dans ce travail, Su Xu et ses collègues ont permis aux yeux d'un système furtif d'observer clairement le monde extérieur, tout en restant indétectable. Par rapport aux méthodes existantes de contrôle des ondes électromagnétiques, la conception du métamatériau booléen a fourni une stratégie pour combiner diverses stratégies d'invisibilité pour l'intégration de l'invisibilité des longueurs d'onde croisées. Le travail comprend des circuits logiques intégrés et ouvre la voie à la réalisation de dispositifs multifonctionnels ou multiphysiques dans des dimensions compactes.
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