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Les métamatériaux aux portes de l'optique
Par Rédaction L'USINE NOUVELLE - Publié le 12 mars 2007, à 11h15
 Horlogerie - Lunetterie, Alcatel-Lucent
 

Les matériaux à indice de réfraction négatif ouvrent la voie à une nouvelle génération de composants pour les télécoms. Leur récente irruption dans l'optique étend leur potentiel d'application.
Il y a cinq ans, leur existence était encore contestée. Aujourd'hui, non seulement plus personne ne met en doute la réalité des matériaux à indice de réfraction négatif (MIN), mais des équipes de chercheurs, stimulés par leurs propriétés inédites - ils réfractent les ondes électromagnétiques dans une direction inhabituelle - en inventent régulièrement de nouveaux. Alors que la première démonstration d'un matériau à « réfraction négative » était limitée à des fréquences de l'ordre du gigahertz (utilisées, par exemple, dans les radars ou les communications sans fil), des chercheurs viennent pour la première fois de les faire entrer dans le domaine de la lumière visible, avec un matériau qui fonctionne à une longueur d'onde de 780 nanomètres (dans la partie rouge du spectre). Un record obtenu par une équipe américaine issue du Ames Laboratory (Iowa), associé à l'université de Karlsruhe (Allemagne).

Il couronne une série de travaux par lesquels plusieurs laboratoires ont étendu considérablement, en quelques années, le spectre des fréquences de fonctionnement de ces nouveaux matériaux. L'application phare : la « superlentille », capable de former des images dont la résolution sera plus fine que la longueur d'onde utilisée, chose jusqu'ici impossible. L'imagerie médicale, mais aussi la lithographie des semi-conducteurs peuvent en tirer le meilleur parti. On n'est en pas encore là. Mais le rythme des projets de recherche et des publications ne faiblit pas. Et tandis que plusieurs équipes rivalisent d'inventivité pour créer de nouveaux matériaux plus performants, d'autres ont une démarche plus pragmatique vers les applications.

Les applications visées
    •    Des composants plus compacts pour les télé-communications : guides d'ondes, filtres, résonateurs, antennes...
    •    Des superlentilles qui s'affranchissent de la limite de diffraction, utilisables en imagerie biomédicale et pour des procédés de nanolithographie.
    •    Le manteau électromagnétique, dispositif qui peut rendre un objet invisible à certaines fréquences. Il intéresse le domaine de la défense.
Baptisés le plus souvent « métamatériaux », les MIN sont en fait des matériaux traditionnels dans lesquels est créée une structure artificielle - des motifs périodiquement répétés, responsables d'une propriété inédite dans la nature. En interagissant avec l'onde électromagnétique, ces motifs créent en effet un milieu dont la permittivité (epsilon, qui caractérise la réponse au champ électrique) et la perméabilité (mu, réponse au champ magnétique) sont toutes deux négatives : une condition suffisante pour obtenir un indice de réfraction négatif. Les premiers dispositifs réalisés, avec des motifs de quelques millimètres, convenaient pour interagir avec des ondes de l'ordre du centimètre (soit des fréquences de l'ordre du gigahertz). Mais transposer ce principe aux longueurs d'onde de l'optique suppose de réaliser ce type de structures à une échelle de l'ordre de la dizaine de nanomètres. Ce qui provoque d'autres difficultés !

Un indice négatif à 780 nanomètres

C'est par étapes que les chercheurs ont progressé jusqu'aux longueurs d'onde visibles. Grâce à des technologies de fabrication permettant de réduire la taille des motifs : des simples techniques de circuits imprimés pour les métamatériaux fonctionnant dans les gigahertz, jusqu'à la lithographie par faisceau d'électrons pour réaliser les motifs nanométriques des MIN dans le visible. Ils ont aussi inventé de nouvelles structures capables de donner simultanément une permittivité et une perméabilité négatives aux longueurs d'onde visées.

Les résultats les plus poussés - pour l'instant - ont été obtenus par une « résille » (« fishnet ») de fils d'argent dont les espaces intermédiaires sont un diélectrique de fluorure de magnésium (MgF2), le tout sur un substrat de verre. Cette structure a permis d'obtenir un indice négatif avec une lumière rouge (780 nm), bien qu'avec des pertes (l'atténuation du signal dans le matériau) encore trop importantes. En revanche, pour une longueur d'onde de 1,5 micron, les résultats sont excellents. « Notre structure est la seule qui fonctionne à 1,5 micron, avec des pertes relativement faibles. Comme le procédé de fabrication est industrialisable, des applications sont envisageables », affirme Costas Soukoulis de l'Ames Laboratory, qui assure la conception des MIN, tandis que l'équipe de Karlsruhe, menée par Martin Wegener, travaille sur le procédé de fabrication, à base de lithographie par faisceau d'électrons. Toutefois, les chercheurs estiment que leur structure a atteint ses limites. Ils explorent maintenant de nouveaux designs, qui permettront de monter encore en fréquence.

En fait, même pour utiliser des fréquences plus basses (ce qui réduit les difficultés technologiques de fabrication), des développements restent à faire. En particulier, pour limiter les pertes, condition nécessaire à l'émergence d'applications pratiques. L'utilisation de diélectriques est une solution... qui est loin d'être idéale. « Les pertes sont importantes dans les matériaux métalliques, en particulier dans les longueurs d'onde optiques. Les matériaux diélectriques permettent de les réduire, mais ils se prêtent moins bien à l'obtention d'un indice négatif », souligne Didier Lippens, qui dirige le groupe Dispositif opto et micro-électroniques quantiques à l'IEMN (Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologies, Lille). Le laboratoire a travaillé sur les MIN avec Thales, et est en discussion avec Alcatel Space Alenia. Pour résoudre le problème des pertes, les chercheurs envisagent d'introduire dans les structures de MIN des matériaux amplificateurs optiques. La réalisation de dispositifs 3D (et non plus planaires) est aussi au programme des études à venir.

Adopter une démarche d'ingénierie

Pendant que des laboratoires s'échinent à repousser les limites du phénomène de réfraction négative, d'autres ont une approche plus directement axée sur les applications. Certaines sont intrigantes, et sans doute assez futuristes, tel le « manteau électromagnétique » conçu à la Duke University (Durham, Caroline du Nord), par le groupe de David Smith, chercheur qui s'était déjà illustré en 2000 en effectuant la première démonstration de structure à indice de réfraction négatif. Le « manteau » en question dévie et refocalise le faisceau d'ondes qu'il reçoit, de telle façon qu'un objet placé à l'intérieur semble « invisible ».

Une application des MIN qui risque d'intéresser la Défense... Smith a effectivement fabriqué un manteau constitué de cylindres concentriques sur lesquels ont été réalisés des motifs actifs de quelques millimètres. Le système fonctionne à 8,5 GHz, de manière encore imparfaite, reconnaît le chercheur. Ce dernier a toutefois le mérite d'avoir fait passer - une nouvelle fois - un concept théorique à l'état de dispositif bien réel.

D'autres démarches sont plus pragmatiques. « Les différentes applications induisent des contraintes différentes. Il faut donc adopter maintenant une démarche d'ingénierie, qui part de la fonction visée pour concevoir un matériau optimisé pour l'application. Mais c'est aux industriels de poser le problème », affirme Stefan Enoch, qui co-dirige un groupe axé sur la nano-photonique à l'Institut Fresnel (Marseille), et qui travaille notamment avec Alcatel. Dans le domaine des radiofréquences et des micro-ondes, divers composants (coupleur, filtre, résonateur...) et antennes pourraient bénéficier de l'apport des MIN.

Les industriels ont l'oeil sur les superlentilles

Ainsi, le laboratoire Diom de l'université Jean Monnet de Saint-Etienne réalise des métamatériaux en gravant des motifs de 100 x 200 microns sur un substrat diélectrique, dans le but de réaliser des composants plus compacts (notamment des antennes). « Nous évoluons vers la conception de structures spécifiques d'une application », souligne Bruno Sauviac, le directeur adjoint du laboratoire, qui coopère avec Radiall, le fabricant de composants radiofréquence et micro-ondes.

Dans ce domaine encore prospectif, les industriels s'intéressent en priorité aux débouchés possibles à moyen terme. Mais pas seulement. Ainsi, la perspective encore lointaine d'utiliser des « superlentilles » pour créer des images à la résolution inédite ne peut qu'intéresser un Carl Zeiss, spécialiste des composants optiques et optoélectroniques. L'industriel a d'ailleurs décerné en 2006 son prix de la recherche à Martin Wagener et Kurt Busch, à l'université de Karlsruhe, pour leurs travaux sur les métamatériaux.

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Paris, 15 décembre 2014

Un métamatériau fait danser le « moonwalk » aux ultrasons
Rendre un objet invisible, augmenter le pouvoir de résolution d'une lentille… les métamatériaux ont des propriétés exceptionnelles pour détourner et contrôler les ondes, notamment le son et la lumière. Des chercheurs du Centre de recherche Paul Pascal (CNRS) et de l'Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (CNRS/Université de Bordeaux/Bordeaux INP/Arts et Métiers ParisTech)1 viennent de développer les premiers métamatériaux en trois dimensions, en croisant formulation physico-chimique et technologie microfluidique2. Il s'agit d'une nouvelle génération de métamateriaux « souples », plus faciles à mettre en forme. Dans leur démonstration, les chercheurs ont fait reculer l'oscillation ultrasonore3, alors que l'énergie transportée par l'onde avançait. Ces travaux ouvrent notamment des perspectives nouvelles en imagerie haute résolution (échographie). Ils sont publiés dans la revue Nature Materials, le 15 décembre 2014.
Depuis les années 2000, la communauté scientifique internationale voit croître de manière exponentielle l'intérêt pour les métamatériaux et leurs propriétés hors du commun. Un métamatériau est un milieu dans lequel la vitesse de propagation de la phase4 des ondes, lumineuses ou acoustiques, peut être négative (on dit que le matériau a un indice de réfraction négatif). Dans un tel milieu, la phase de l'onde (les oscillations successives) et l'énergie transportée par cette même onde se propagent en sens opposé. Une propriété qu'aucun milieu naturel homogène ne possède.

Pour obtenir un métamatériau, il est nécessaire de fabriquer un milieu hétérogène contenant un grand nombre d'inclusions (appelées « microrésonateurs »). La méthode usuelle consiste à usiner par micromécanique (gravure, dépôt…) des supports solides qui présenteront les propriétés de métamatériaux selon une ou deux dimensions. Mais cette technique ne permet pas de travailler sur de la matière molle aux échelles micrométriques requises pour les ultrasons, et les matériaux obtenus restent limités à une ou deux dimensions.

Dans cette étude, les chercheurs ont réalisé un nouveau type de métamatériau, en phase fluide, constitué de microbilles de silicone poreux en suspension dans un gel à base d'eau. Ce « métafluide » est le premier métamatériau tridimensionnel fonctionnant à des fréquences ultrasonores. En outre, en raison de son caractère fluide, il peut être fabriqué par des procédés physico-chimiques et des technologies microfluidiques beaucoup plus simples à mettre en œuvre que les techniques de micromécanique.

Les milieux poreux possèdent la propriété d'avoir des célérités du son très faibles (quelques dizaines de mètres par seconde) par rapport à l'eau (1500 mètres par seconde). Grâce à ce fort contraste, la suspension dans son ensemble possède les propriétés d'un métamatériau, lorsque la concentration en billes est suffisante. En effet, en étudiant la propagation d'ondes ultrasonores dans ce milieu, les chercheurs ont mesuré de manière directe un indice de réfraction négatif. Au sein d'un tel métafluide, l'énergie associée à l'onde se propage logiquement de l'émetteur au récepteur, comme attendu, tandis que les oscillations semblent « reculer » en se propageant dans l'autre sens, à la manière d'un danseur pratiquant le « moonwalk ».

Ces résultats laissent entrevoir de nombreuses applications allant de l'imagerie ultrasonore haute résolution à l'isolation sonore et à la furtivité en acoustique sous-marine. De plus, cette voie de synthèse par les techniques de physico-chimie de la matière molle permet la fabrication de matériaux fluides ou souples de formes adaptables, et ce sur des échelles potentiellement industrialisables.

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Paris, 13 novembre 2014

La turbulence, un ingrédient amplificateur du champ magnétique terrestre
La turbulence, ensemble de mouvements aléatoires qui animent le métal en fusion du noyau terrestre, contribuerait au champ magnétique de notre planète, comme viennent de le démontrer des chercheurs de l'Institut des sciences de la Terre (CNRS/Université Joseph Fourier Grenoble 1/IRD/Université de Savoie/IFSTTAR). Pour parvenir à ce résultat, ils ont modélisé le noyau externe de la Terre par du sodium liquide confiné entre deux sphères de métal concentriques et en rotation – un dispositif baptisé Derviche Tourneur Sodium1 (DTS). Leurs résultats viennent d'être publiés dans la revue Physical Review Letters.
Comme de nombreuses planètes et la plupart des étoiles, la Terre produit son propre champ magnétique par effet dynamo, c'est-à-dire grâce aux mouvements d'un fluide conducteur d'électricité – en l'occurrence, un mélange de fer et de nickel fondus. Cet océan de métal liquide, le noyau externe, entoure une graine de métal solide (ou noyau interne). Il est mis en mouvement par la convection que provoque le refroidissement du noyau. L'écoulement qui en résulte est particulièrement complexe ; aux déplacements du fluide sur de grandes distances, bien compris et générateurs du champ magnétique, viennent s'ajouter des mouvements désordonnés, aléatoires, sur de courtes distances, les fluctuations turbulentes. Si la turbulence existe aussi dans l'atmosphère et dans l'océan, celle du noyau terrestre se distingue, car elle est sous la double influence de la rotation terrestre et d'un fort champ magnétique. Cette turbulence particulière, ni les expériences en laboratoire, ni les simulations informatiques2 ne sont aujourd'hui capables de la reproduire. Jusqu'à maintenant il était donc impossible pour les géophysiciens de déterminer son rôle vis-à-vis du champ magnétique.

Afin de mieux comprendre les interactions entre turbulence et champ magnétique, des chercheurs de l'Institut des sciences de la Terre, à Grenoble, ont utilisé l'expérience « Derviche Tourneur Sodium », démarrée en 2005. Dans ce modèle de noyau terrestre miniature, 40 litres de sodium liquide (un fluide conducteur d'électricité) sont contenus dans l'espace séparant deux sphères concentriques. L'originalité de ce modèle réside dans le fait qu'un aimant au centre de la sphère interne fournit un fort champ magnétique et que la rotation de cette graine entraine très efficacement le liquide conducteur. Dans ces conditions, le sodium liquide est soumis à un champ magnétique élevé et à une forte rotation, comme on l'attend dans le noyau terrestre, et animé à la fois de mouvements de grande échelle et de fluctuations aléatoires.

Des capteurs répartis sur la sphère externe et à l'intérieur du sodium ont permis de cartographier le champ magnétique, tandis que des faisceaux d'ultrasons mesuraient, par effet Doppler, la vitesse d'écoulement du fluide. Grâce à ces données, les chercheurs ont démontré que les mouvements turbulents augmentent la capacité du fluide à conduire l'électricité, et donc amplifient le champ magnétique, loin de l'atténuer comme avaient suggéré de précédentes expériences. Ce phénomène, observé pour la première fois en laboratoire, a été confirmé par des simulations numériques.

Ces résultats s'appliquent aussi aux planètes qui ont un champ magnétique et aux étoiles. La découverte de ce nouvel ingrédient du champ magnétique permettra peut-être d'expliquer pourquoi dans le cas de Vénus, planète « jumelle » de la Terre, le noyau métallique liquide ne produit pas de champ magnétique. Plus près de nous, mieux connaître ces fluctuations turbulentes pourrait aider à comprendre les inversions du champ magnétique.

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Paris, 25 septembre 2014

Inauguration du deuxième détecteur de neutrinos de l'expérience Double Chooz

Un second détecteur de neutrinos vient d'être édifié par le CNRS et le CEA à proximité de la centrale nucléaire de Chooz (Ardennes). Ses mesures complèteront celles du premier détecteur, installé depuis cinq ans, afin d'étudier, dans le cadre de l'expérience Double Chooz, les caractéristiques des neutrinos, ces particules élémentaires presque insaisissables produites en abondance notamment dans le Soleil et dans les réacteurs nucléaires. Construit à 400 mètres du cœur des réacteurs de la centrale, ce second détecteur est inauguré le 25 septembre 2014 en présence de représentants du CNRS et du CEA, et des autorités locales, qui soutiennent activement cette implantation.
Après sa mise en service au cours de l'automne, le détecteur captera les neutrinos produits dans les cœurs des deux réacteurs de la centrale, situés à 400 mètres. Ces données seront comparées à celles collectées par l'autre détecteur, installé à 1 kilomètre de ces réacteurs. La différence de composition attendue est due à une métamorphose des neutrinos, qui changent de caractéristiques au cours de leur trajet. L'expérience Double Chooz est fondamentale pour permettre de comprendre ce phénomène, et ainsi compléter le Modèle standard de la physique des particules1.

Étudier les « saveurs » des neutrinos grâce aux centrales nucléaires

Les neutrinos, particules un million de fois plus légères que les électrons, sont un sous-produit connu des réactions nucléaires « beta ». Ils sont ainsi produits dans des réacteurs nucléaires en fonctionnement, mais aussi dans la croûte et le manteau terrestre, le corps humain, ou encore les étoiles, le Soleil étant la source de neutrinos la plus abondante sur Terre. Ils peuvent naître sous trois formes ou « saveurs », comme disent les physiciens. Mais ils ont cette propriété étonnante, appelée « oscillation », de changer de « saveur » en se déplaçant, en fonction de leur énergie et de la distance parcourue. Ces « oscillations » dépendent de trois paramètres (nommés « angles de mélange »), dont deux sont connus avec une bonne précision. Le troisième est bien plus petit et difficile à mesurer précisément, et c'est sur cette mesure que portent les efforts de l'expérience Double Chooz.

L'expérience Double Chooz

Le projet Double Chooz est né en 2003 d'une collaboration internationale2, à l'initiative de chercheurs du CEA et du CNRS. En 2009, un premier détecteur a été installé dans un laboratoire souterrain, construit par EDF dans les années 1990 à 1 kilomètre des cœurs des réacteurs de la centrale. Ce dispositif a permis, en 2011, de détecter la transformation des neutrinos durant leur vol, découverte confirmée dès 2012 par les autres expériences internationales. Depuis lors, une course mondiale à la précision s'est engagée pour mesurer le troisième angle de mélange des neutrinos. A Chooz, la mise en service d'un second détecteur va permettre d'y participer efficacement. D'ici trois ans, le paramètre manquant devrait y être mesuré avec une précision de 10 %.

A l'image du premier détecteur, ce second instrument est constitué d'une cuve cylindrique de dix mille litres remplie d'un mélange d'huiles minérales. Un tel volume est nécessaire car les neutrinos interagissent très faiblement avec la matière : ils traversent murs, montagnes, et êtres vivants, pratiquement sans interaction. Afin d'en détecter un, il faut donc « interposer » au parcours des neutrinos une grande quantité de matière. Chaque jour, cet instrument ne détectera que 300 neutrinos environ, sur les centaines de milliards de milliards qui le traverseront. Par ailleurs, le détecteur est enfoui sous 50 mètres de roches et protégé par plusieurs enceintes concentriques pour l'isoler du rayonnement cosmique et de la radioactivité naturelle ambiante.

La comparaison des résultats de Double Chooz avec ceux d'autres expériences similaires en Chine (Daya-Bay) et en Corée (RENO) et d'accélérateurs de particules (T2K au Japon) facilitera la conception de projets pour explorer l'origine de l'asymétrie entre matière et antimatière observée dans l'Univers. En effet, selon la théorie du Modèle standard, qui prédit le comportement de la matière depuis le début de l'Univers, le Big Bang aurait créé a priori autant de matière que d'antimatière, il y a 13,7 milliards d'années. Mais la matière est observée en surabondance aujourd'hui. Les neutrinos pourraient bien détenir la clé de cette énigme.

Le laboratoire abritant ce deuxième détecteur a été financé par le FEDER (Fonds européen de développement régional), la région Champagne-Ardenne, le département des Ardennes, la communauté de communes Rives de Meuse, EDF, le CNRS et le CEA.

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