Électromagnétisme des matériaux main gauche

Les matériaux gauchers, ou matériaux main gauche, font partie des métamatériaux. L’appellation métamatériau date de la fin des années 1990 et correspond à différentes classes de matériaux artificiels en électromagnétisme, en optique, en mécanique, thermique, etc.

Dans les années 1960, Victor Veselago avait étudié les propriétés théoriques d’un matériau électromagnétique présentant simultanément une permittivité et une perméabilité négatives. Cela ne se rencontre pas dans les matériaux naturels. V. Veselago a montré que les ondes électromagnétiques pouvaient se propager dans un tel matériau, et qu’en plus celui-ci présentait un indice optique négatif. Cependant il a échoué à le réaliser pratiquement et il a fallu attendre 1999 et deux articles de John B. Pendry, pour que ces matériaux soient enfin réalisables en pratique. Il revient ensuite à David R. Smith le mérite d’avoir associé les deux concepts dans un seul matériau à indice négatif, testé expérimentalement pour la première fois en 2000.

Ces premiers travaux en micro-ondes, et les propriétés étonnantes des matériaux main gauche, ont suscité l’intérêt de chercheurs dans le monde entier. Une floraison de publications en a suivi, en micro-ondes, ainsi qu’en térahertz et en optique. Dans ce dernier domaine, l’enjeu technologique est de taille puisqu’on est allé jusqu’à prédire la naissance d’une nouvelle optique, où la résolution des lentilles et des instruments d’optique ne serait plus limitée par la diffraction. Cette prédiction a été tempérée depuis, et sa réalisation reste dépendante des progrès des nanotechnologies.

Des exemples de métamatériaux opérant à des longueurs d’onde térahertz, infrarouges et visibles ont été proposés. Même s’ils sont encore perfectibles, ils montrent qu’en peu de temps des dispositifs extrêmement performants ont pu être réalisés et testés. Cela est d’autant plus remarquable que, dans ces structures périodiques, la cellule élémentaire doit avoir une taille caractéristique de l’ordre du dixième de la longueur d’onde. Ce qui signifie que, dans le visible, la cellule a une dimension typique de 50 nm, avec des détails de l’ordre de quelques nanomètres. On est donc dans le domaine des nanotechnologies, et les laboratoires susceptibles de réaliser ce type de structure sont peu nombreux.

En micro-ondes, l’enjeu est différent. Les applications en télécommunications et en compatibilité électromagnétique dominent, avec des démarches différentes et une créativité plus grande, car les contraintes technologiques sont moins fortes. Les études se sont focalisées très vite sur le développement d’applications dans le domaine des filtres, des déphaseurs, des antennes et des matériaux pour la compatibilité électromagnétique, avec une comparaison systématique aux technologies existantes et des exigences de performances très élevées.

Cet article présente dans sa première partie les propriétés électromagnétiques particulières de ces matériaux main gauche (MMG). Dans la deuxième partie, les méthodes de fabrication et de caractérisation de ces matériaux sont détaillées en fonction des domaines de fréquences dans lesquels ces matériaux sont réalisés. On verra que ces méthodes sont très différentes suivant que l’on est en micro-onde ou en optique. Dans la troisième partie, des concepts de matériaux à une ou deux dimensions présentant un indice négatif sont introduits. Enfin, dans la quatrième partie, des composants en espace libre sont présentés avec leur application particulière à la caractérisation de ces matériaux. La conclusion présente les perspectives de développement et d’applications de ces matériaux dans le futur.