Les métamatériaux désignent des matériaux fabriqués par l'homme. Ils n'existent donc pas à l’état naturel. Ils sont souvent composites, constitués de deux matériaux distincts, dont un présente des motifs répétitifs. L’ensemble formé va donner au métamatériau formé des propriétés tout à fait innovantes, issues des interactions entre ce dernier et les ondes qui peuvent être amenées à interagir avec lui.
Les métamatériaux sont par exemple capables de modifier la trajectoire des rayons lumineux : c’est d’ailleurs cette propriété spécifique qui a donné ses lettres de noblesse aux métamatériaux, à travers la conception en laboratoire d’une cape d’invisibilité, dont le fonctionnement est issu de l’exploitation des propriété des métamatériaux.
La composition des métamatériaux, faite de structures périodiques, diélectriques ou métalliques se comportant comme un matériau homogène, va permettre de mettre en évidence des propriétés spectaculaires, qui vont être observées via l’interaction entre la structuration du matériau et les ondes qui le traversent.
En ce qui concerne le domaine des ondes électromagnétiques, plusieurs types de métamatériaux sont développés : matériaux à permittivité et perméabilité négatives, milieux d’impédance infinie, milieu à perméabilité relative inférieure à 1… toutes ces propriétés observées ont parfois été mises en évidence depuis très longtemps. C’est le cas par exemple pour les cristaux photoniques, qui sont aujourd’hui considérés comme des métamatériaux.
Aussi appelés matériaux à “main gauche” (en référence à la règle de la main gauche en électromagnétisme), les métamatériaux ont vu leurs propriétés mises en évidence dans de nombreux laboratoires de recherche depuis une vingtaine d’années. Parmi les plus intéressantes, citons :
- Leur indice de réfraction négatif ;
- Leur perméabilité négative ;
- Leur permittivité négative ;
- Les vitesses de phase et de groupe sont opposées ;
- L’amplification des ondes évanescentes ;
- l'inversion de l’effet Doppler ;
- L'inversion de l’effet Tcherenkov.
Cette liste est loin d’être exhaustive. Citons l’observation, l’année dernière, par des chercheurs allemands et français, de l’effet roton dans des métamatériaux, que nous traitons dans un des articles de ce dossier. L’ensemble de ces propriétés va se manifester de différentes manières, selon le type d’onde étudié, qu’elle soit acoustique, lumineuse, électromagnétique, élastique ou mécanique.
