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RÉSUMÉ
Cet article présente le principe et les propriétés principales des métamatériaux électromagnétiques et optiques. Les principales propriétés physiques sont énumérées, avec en particulier la notion d’indice optique négatif, et de matériaux « à main gauche ». Le concept de métasurface, dérivé à la fois des surfaces sélectives en fréquences et des métamatériaux, est également introduit. Quelques exemples d’applications des métamatériaux et des métasurfaces sont présentés, dans le domaine des micro-ondes mais également en optique. Ces exemples, loin d’être exhaustifs, permettent cependant d’apprécier l’étendue des applications potentielles de ces matériaux.
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André DE LUSTRAC : Professeur - Directeur de l’Institut d’Électronique Fondamentale - Institut d’Électronique Fondamentale, Université Paris Sud, Orsay, France Université Paris Ouest, Ville d’Avray, France
INTRODUCTION
Les métamatériaux, comme leur nom l’indique, sont des matériaux artificiels ayant des propriétés physiques supérieures aux matériaux naturels. « Meta » est un préfixe grec signifiant « au-delà » ou « un niveau au-dessus », comme dans métaphysique ou métalogique.
Les métamatériaux sont donc des matériaux ayant des propriétés « au-delà » de ce que l’on peut espérer observer dans des matériaux naturels. Ce concept peut se décliner dans tous les domaines de la Physique. Plus précisément, en électromagnétisme et en optique, les métamatériaux présentent des propriétés nouvelles susceptibles d’exciter l’imagination des chercheurs et des ingénieurs comme un indice optique négatif ou un effet Doppler inversé, par exemple. Mais nous verrons dans la suite qu’un métamatériau n’a pas toujours un indice optique négatif. Il peut présenter seulement une permittivité ou une perméabilité négative. Il peut être seulement magnétique, mais aux fréquences optiques. Il peut également avoir un indice optique nul. Mais nous verrons également que le concept de métamatériau est en réalité très ancien puisque les premiers métamatériaux étaient des verres optiques colorés que l’on retrouve à l’époque romaine, et dans les cathédrales où ils ont été utilisés pour réaliser de magnifiques vitraux.
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- Version archivée 1 de janv. 2007 par André DE LUSTRAC
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2. Principes et propriétés
2.1 Matériau à indice optique négatif
V.G. Veselago a montré théoriquement, dès 1967, qu’un milieu dont la permittivité et la perméabilité étaient simultanément négatives possédait un indice de réfraction négatif . Cet indice négatif provenait des propriétés de réfraction électromagnétique observées à l’interface entre un milieu à indice positif avec une permittivité relative
et une perméabilité relative
et un milieu tel que
et
. En effet, lorsque l’on calcule l’indice à partir des paramètres ε r et µ r, deux solutions sont possibles lorsque ε r < 0 et µ r < 0 :
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Principes et propriétés
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MUNK (B.A.) - Frequency selective surfaces. Theory and Design. - Wiley Interscience (2000).
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(2) - YAGI (H.) - Beam transmission of ultra-short waves. - IRE Proc., p. 715-741, 16 juin 1928.
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(3) - * - http://archive.darpa.mil/DARPATech2002/presentations/dso_pdf/speeches/BROWNING.pdf
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(4) - PENDRY (J.B.), HOLDEN (A.J.), ROBBINS (D.J.), STEWART (W.J.) - Low frequency plasmons in thin-wire structures. - J. Phys. : Condens. Matter 10, p. 4785-4809 (1998).
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(5) - PENDRY (J.B.), HOLDEN (A.J.), ROBBINS (D.J.), STEWART (W.J.) - Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. - IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 47, p. 2075-2084 (1999).
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(6) - SMITH (D.R.), PADILLA (W.J.), VIER (D.C.), NEMAT-NASSER (S.C.), SCHULTZ (S.) - Composite medium...
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