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Métamatériaux: caractéristiques étonnantes et intérêt

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L'un des domaines qui a suscité le plus d'intérêt parmi les scientifiques ces dernières années est celui des métamatériaux. Les métamatériaux sont des composés artificiels formés d'ensembles périodiques d'éléments dont les propriétés électromagnétiques, optiques ou acoustiques peuvent être contrôlées et conçues pour obtenir des résultats surprenants ; résultats non observables dans la nature : matériaux avec indice de réfraction négatif, qui produisent des ondes rétrogrades, qui empêchent la propagation de longueurs d'onde concrètes ou inversent l'effet Doppler.

La recherche des métamatériaux a commencé avec des travaux réalisés par Yablonovich et d'autres. Ils ont observé des structures tridimensionnelles périodiques qui empêchaient la propagation des ondes de certaines fréquences. Plus tard, Pendry et Smith ont démontré expérimentalement le comportement des environnements avec des indices négatifs, annoncé par Veselago en 1968, et depuis lors, le sujet a pris une grande importance. Il est devenu l'un des champs de recherche les plus intenses dans le domaine de l'électromagnétisme appliqué, l'optique et la théorie de la matière condensée.

Les environnements avec indice négatif, aussi appelés «environnements gauches», présentent une des caractéristiques les plus frappantes parmi les métamatériaux: la réfraction négative. Pour ce faire, il est nécessaire que le métamatérial présente un indice de réfraction négatif, pour ce que le matériel doit avoir simultanément deux caractéristiques négatives: la permitivité diélectrique ( ) --mesure de la polarisation que souffre le matériel par rapport à un champ électrique - et la perméabilité magnétique ( ) --mesure de la magnétisation que souffre le matériel par rapport à un champ magnétique -. Pour le premier test expérimental, Pendry et Smith ont utilisé un milieu formé d'anneaux et de filaments métalliques permettant d'obtenir le phénomène mentionné.

Super lentilles

Parmi les applications possibles des métamatériaux, le soi-disant superobjectif est celui qui suscite le plus d'intérêt. C'est parce qu'il permet d'obtenir une résolution supérieure à la limite de diffraction de la lentille.

Dans une lentille normale la résolution est limitée par la longueur d'onde, les détails mineurs que la longueur d'onde sont perdus, ne sont pas visibles. Ces détails dépendent des zones évanescentes, dont l'amplitude diminue considérablement à mesure qu'elles s'éloignent de la source de la zone. Nous perdons donc l'information que portent les champs. Dans les superverres, par contre, l'étendue des zones évanescentes augmente avec la distance et on peut récupérer les détails. Nous pouvons connaître les valeurs initiales du champ et donc récupérer les détails de l'image.

Si on pouvait construire ce type de superlentilles, il aurait beaucoup d'applications en lithographie, stockage optique, spectroscopie de zone voisine et dans le domaine des images médicales. Cependant, les expériences menées jusqu'à présent ont montré que les pertes inévitables dégradent le comportement des lentilles et les résultats n'ont pas été aussi spectaculaires qu'annoncé.

L'application phare des métamatériaux, ou du moins celle qui a le plus grand écho médiatique, est la possibilité de cacher des objets et de les rendre invisibles. Pour cela, il est proposé de regrouper l'objet avec un métamatérial non homogène dont les caractéristiques de permitivité et de perméabilité empêcheraient de refléter en lui une onde électromagnétique, qui serait également reconstruite de l'autre côté de l'objet. Par conséquent, l'objet serait invisible. Son utilisation en radars, en marge d'autres bandes de fréquences, est la plus prometteuse. Cependant, dans les systèmes présentés jusqu'à présent, l'invisibilité est limitée à quelques fréquences et à une polarisation déterminée, ce qui réduit leur utilité dans la pratique.

Les plus avancés sur les ondes radio

Les applications radio ont probablement atteint le niveau de maturité le plus élevé. XX. La recherche théorique et expérimentale de ces longueurs d'onde a été recueillie dans la littérature scientifique depuis le début du XXe siècle dans le domaine des médias périodiques et artificiels. Cependant, l'utilisation pratique de métamatériaux et de leurs idées fondées ont permis de développer de nouvelles stratégies de conception de composants, de réduire la taille, d'augmenter les fonctionnalités et d'améliorer les caractéristiques des antennes et des circuits micro-ondes.

Plus précisément dans le domaine des antennes, les métamatériaux sont principalement utilisés pour améliorer leurs caractéristiques et réduire leur taille. En fait, l'utilisation de substrats et de superstrates fabriqués à partir de métamatériaux permet de réduire les liens entre les antennes et d'améliorer le comportement de chaque antenne lorsqu'ils font partie de l'ensemble d'antennes. De plus, les superstratégiques à base de matériaux à gauche permettent d'obtenir un effet équivalent à une lentille et d'augmenter le gain de l'antenne. En ce qui concerne la miniaturisation des antennes, des environnements diélectriques à haute constante à une taille beaucoup plus faible peuvent être créés.

Ces avancées génèrent un grand optimisme, mais il faut dire que les recherches se trouvent encore dans la phase initiale de test du concept lui-même. Et la communauté scientifique a encore de grands défis pour surmonter cette situation et générer des métamatériaux qui peuvent être utilisés dans des systèmes réels. Dans tous les cas, bien que ces matériaux ne se matérialisent pas, la recherche menée dans ce domaine a déjà entraîné un changement dans l'approche de l'observation de certains phénomènes qui s'avérera très utile dans les progrès ultérieurs.