Métamatériaux optiques

Le terme de métamatériau a été introduit par J. B. Pendry en 1999. Il désigne un matériau artificiel structuré à une échelle inférieure à la longueur d'onde de travail, afin d'obtenir des propriétés singulières, autrement dit des propriétés qui ne sont pas accessibles à partir de matériaux homogènes. Ce concept général peut être appliqué à tous les domaines de la physique qui font intervenir la propagation d'ondes. En particulier, le domaine des métamatériaux acoustiques a connu un développement important ces dernières années. Toutefois, la majeure partie des travaux publiés à ce jour concerne le domaine des ondes électromagnétiques.

Dans le cas d'une structuration sous longueur d'onde, le matériau artificiel peut être considéré comme un milieu moyen décrit par une permittivité et une perméabilité effectives. Même si les processus d'homogénéisation continuent de susciter des débats, quant à leurs conditions d'application notamment, on observe un consensus sur la notion d'ouverture de l'espace des paramètres qui permet d'envisager des métamatériaux à permittivité et perméabilité effectives positives, nulles ou négatives. Les premières démonstrations expérimentales ont consisté à mettre en évidence un indice de réfraction négatif obtenu par recouvrement de zones à permittivité et à perméabilité négatives. Cette possibilité, imaginée dès 1962 par V. Veselago, a permis d'envisager de nouvelles applications. L'idée de superlentille, introduite par J. B. Pendry en 2000, s'inscrit dans ce contexte. Même si les perspectives dans le domaine de l'optique sont apparues très prometteuses, la majorité des premières expériences ont été menées sur des dispositifs fonctionnant en micro-ondes. Indépendamment du problème des pertes, métalliques notamment, le transfert des technologies métamatériau utilisées en micro-ondes, vers les longueurs d'onde optiques se heurte à un certain nombre de verrous, notamment pour la conception et la fabrication des structures à indice de réfraction négatif. Cependant, les domaines de l'infrarouge et du visible sont de plus en plus étudiés. Si cette évolution témoigne d'un progrès technologique incontestable, son principal moteur réside dans la diversité des applications envisagées qui, pour la plupart, ne nécessitent pas la synthèse d'un milieu à indice négatif. C'est notamment le cas pour l'application de la cape d'invisibilité qui, dans sa conception la plus simplifiée, peut s'appuyer sur un gradient de paramètre unique (permittivité, perméabilité ou indice de réfraction) présentant des valeurs positives.

Dans cet article, nous commencerons par cerner les particularités du spectre optique et leurs conséquences sur les différentes étapes d'élaboration des métamatériaux, depuis la modélisation des phénomènes physiques jusqu'à l'analyse des propriétés de dispersion des structures. La seconde partie sera consacrée aux différents domaines d'application. Compte tenu de l'importance des phénomènes non linéaires dans les technologies optiques, nous aborderons ce sujet en troisième partie, avant d'ouvrir l'analyse sur les différentes perspectives d'évolution.