Jeter de la lumière sur les métamatériaux

« Je me rappelle un dimanche du mois d’août 2001 alors que je cuisinais au barbecue dans le jardin. J’ai senti à ce moment-là que je tenais une vérité. J’ai vu la lumière », raconte M. Eleftheriades, professeur agrégé au Département de génie électrique et informatique de l’University of Toronto et l’un des six lauréats d’une Bourse Steacie du CRSNG de 2004.

Mais, comme cette lumière était bizarre. Le professeur Eleftheriades a visualisé une nouvelle façon de créer des matériaux artificiels, appelés métamatériaux, qui accomplissent ce qui semblait jusque là impossible : dévier les ondes électromagnétiques – comme les micro-ondes, les ondes radio et la lumière visible – dans la « mauvaise » direction.

Les métamatériaux de M. Eleftheriades sont des matériaux composites artificiels faits de minuscules fils phototlithographiés qui forment les carrés d’un modèle matelassé sur ce qui ressemble à une carte de circuit imprimé d’environ 10 centimètres sur 5 centimètres. Toutefois, les propriétés collectives de ce modèle de métamatériau défient la science conventionnelle.

Braquez une lampe de poche vers une fenêtre ordinaire, à n’importe quel angle autre que perpendiculaire, et le faisceau de lumière à l’intérieur du verre (appelé faisceau incident) subit une réfraction, ou dévie, dans une direction s’éloignant de la source. Connu sous le nom de loi de Snell, ce phénomène est normalement décrit dans les manuels scolaires du secondaire et constitue une loi de la physique considérée comme inviolée depuis sa formulation en 1621.

Mais dirigez un faisceau de lumière, ou dans le cas qui nous intéresse une onde radio, à travers l’un des métamatériaux plats du professeur Eleftheriades, et le faisceau déviera dans la direction opposée, soit vers la source. Et voilà! Bienvenus dans le monde des métamatériaux main gauche ou à indice de réfraction négatif.

« On ne peut pas dire qu’il s’agit d’une bonne ni d’une mauvaise déviation de la lumière, commente le professeur Eleftheriades. C’est simplement la bonne pour les matériaux main gauche. Ce phénomène a été prévu dans les années 1960 par le physicien soviétique Victor Veselago qui s’est fondé sur les équations de Maxwell formulées dans les années 1870. Cependant, ce n’est que récemment que l’on a réussi à fabriquer des matériaux qui se comportent ainsi. »

L’importance pratique de cette diffraction digne d’Alice au pays des merveilles est énorme. Combinés à des matériaux diélectriques conventionnels, les métamatériaux font en sorte que les ondes électromagnétiques focalisent sur un point au lieu de dévier vers l’extérieur. Une lentille doit normalement être courbée pour focaliser la lumière, mais ces métamatériaux plats focalisent les ondes électromagnétiques avec une précision inégalée.

En décembre 2002, le professeur Eleftheriades a fait la première démonstration expérimentale des lentilles faites de métamatériaux main gauche. (La réfraction négative avait déjà été observée auparavant par un groupe de l’University of California à San Diego, qui avait utilisé un type différent de métamatériau.)

En juin 2003, le professeur Eleftheriades a fait progresser de façon remarquable ces travaux et a signalé la première preuve expérimentale de la possibilité d’utiliser ces métamatériaux main gauche plats pour fabriquer des lentilles qui « voient » des détails auparavant invisibles.

Toutes les lentilles actuelles – qu’elles soient des lentilles optiques, pour les téléscopes, ou des antennes utilisées pour capter les ondes radio et radar – sont limitées par un facteur clé : elles ne peuvent pas « voir », ou résoudre, des détails plus petits que la longueur des ondes électromagnétiques. Par exemple, les atomes sont plus petits que les longueurs d’ondes de la lumière visible et ne peuvent donc pas être vus à l’aide de microscopes optiques.

Cependant, tout comme les matériaux main gauche font que la lumière subit une diffraction inversée, ils brouillent aussi notre compréhension des lentilles en permettant une super-résolution. Ces lentilles main gauche plates sont capables de résoudre des détails plus petits que les longueurs d’ondes en focalisant les faibles ondelettes, ou ondes évanescentes, qui transportent les détails d’un objet plus petit que les longueurs d’ondes.

« Grâce aux lentilles main gauche, on capte en fait les ondes évanescentes, et celles-ci grossissent – leur amplitude augmente à l’intérieur des lentilles, ce qui améliore la résolution », explique le professeur Eleftheriades, qui est né à Chypre et qui a été recruté en 1997 pour occuper un poste à l’University of Toronto.

Les matériaux main gauche offrent toute une gamme de nouvelles possibilités pratiques. Leur capacité à focaliser des ondes sur des détails plus petits que les longueurs d’ondes signifie qu’ils peuvent servir à miniaturiser les antennes, ce qui permettra de fabriquer des appareils sans fil beaucoup plus petits ayant des largeurs de bande ultra-grandes. Le professeur Eleftheriades travaille actuellement avec une grande multinationale de télécommunications, justement dans ce but.

Dans le cadre des recherches qu’il effectue à titre de boursier Steacie du CRSNG et de sa collaboration avec le ministère de la Défense nationale, il travaille aussi à rendre les métamatériaux capables d’accroître la résolution des radars et d’éviter qu’ils soient détectés grâce à la technologie furtive. Si l’on étend aux fréquences optiques la portée des métamatériaux capables de super-résolution, ces derniers pourraient permettre l’existence de nouvelles techniques de photolithographie dont les faisceaux plus aiguisés pourraient graver davantage de renseignements sur les CD ou permettre la fabrication de nanoappareils.

Pour le professeur Eleftheriades, l’un des domaines d’application les plus inspirants est la médecine. Il est déterminé à faire en sorte que ses métamatériaux main gauche trouvent une application dans les appareils d’imagerie médicale, comme les appareils d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Leur utilisation permettrait d’accroître la résolution des appareils d'IRM et leur conférerait la capacité de « voir » des détails plus petits, y compris peut-être, des tumeurs cancéreuses minuscules.

Personne-ressource :

George V. Eleftheriades
Tél. : (416) 946-3564
Courriel : gelefth@waves.utoronto.ca

Pour obtenir de plus amples renseignements sur les travaux du professeur Eleftheriades, rendez-vous à http://www.waves.utoronto.ca/prof/gelefth/main.html.