Dans le domaine de la science des matériaux, les métamatériaux électromagnétiques (EM) sont apparus comme une classe révolutionnaire de composites techniques capables de manipuler les ondes électromagnétiques d’une manière jamais possible auparavant. Contrairement à leurs homologues naturels, les métamatériaux EM tirent leurs propriétés extraordinaires de leurs arrangements structurels uniques, leur permettant de présenter des caractéristiques électromagnétiques inaccessibles dans les matériaux conventionnels.
L’une des caractéristiques les plus fascinantes des métamatériaux EM réside dans le domaine des métamatériaux à indice zéro (ZIM). Les ZIM possèdent la capacité remarquable d'obtenir une distribution uniforme du champ électromagnétique sur une forme arbitraire (Figure 1a). Cette propriété unique ouvre de nombreuses applications potentielles, depuis les dispositifs de masquage ultra-compacts jusqu'aux guides d'ondes et lentilles de forme arbitraire et aux lasers à émission de surface à cristaux photoniques (Figure 1b).
Malgré leur immense potentiel, les ZIM ont été confrontés à un obstacle important dans leur mise en œuvre pratique. L'homogénéité des ZIM est souvent limitée par le nombre de cellules unitaires par longueur d'onde en espace libre. Cette limitation résulte de la propriété de faible permittivité des matériaux utilisés pour construire les ZIM. En conséquence, les ZIM nécessitent souvent un grand espace physique pour atteindre leurs propriétés électromagnétiques efficaces (Figure 2b).
Les chercheurs ont surmonté ce défi de longue date dans une étude publiée dans eLight en développant un ZIM hautement homogène utilisant une nouvelle combinaison de matériaux à haute permittivité.
Comme le montre la figure 3a, en utilisant SrTiO3 piliers en céramique intégrés dans un BaTiO3 matrice de fond, ils ont réussi à fabriquer un ZIM avec un niveau d'homogénéisation plus de trois fois plus élevé (Figures 2b et 2e), réduisant considérablement ses dimensions physiques.
Sur la base de la répartition uniforme de la phase du champ électromagnétique dans tout le ZIM, les chercheurs ont démontré une antenne à haute directivité. En incorporant le ZIM dans un guide d'ondes métallique (Figure 4a), cette antenne s'est approchée de la limitation fondamentale de la directivité de l'antenne car la taille de l'ouverture varie du régime sub-longueur d'onde à une très grande échelle (Figure 4c).
Cette avancée ouvre la voie à une nouvelle ère de dispositifs basés sur ZIM, offrant des performances et une compacité sans précédent. Les réalisations des chercheurs ont de profondes implications dans un large éventail de domaines, notamment les communications sans fil, la télédétection et les systèmes de positionnement global. De plus, leurs travaux ouvrent de nouvelles possibilités pour la recherche fondamentale sur les guides d'ondes ultracompacts, les dispositifs de masquage et l'informatique quantique supraconductrice.
Plus d'informations : Yueyang Liu et al, Les céramiques à haute permittivité ont permis des métamatériaux à indice zéro hautement homogènes pour les antennes à haute directivité et au-delà, eLight (2024). DOI :10.1186/s43593-023-00059-x
Informations sur le journal : eLight
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