Métasurfaces - En micro-onde et en optique

Le terme métasurface désigne des structures électromagnétiques ou optiques, séparant deux milieux, dont l’épaisseur reste faible devant la longueur d’onde de travail, typiquement de l’ordre d’un dixième, et dont les propriétés vont au-delà des interfaces classiques des métaux ou des diélectriques habituels. Ce concept de métasurface fait suite à celui de métamatériaux. Il s’en différencie par la contrainte géométrique de l’épaisseur faible devant la longueur d’onde de cette structure, qui conduit en général à ne plus parler d’indice optique équivalent comme dans le cas des métamatériaux, mais plutôt à mettre l’accent sur les propriétés de transmission et de réflexion, d’absorption, de transformation de polarisation de ces structures. Il s’en différencie également par la richesse des propriétés que les chercheurs ont données à ces métasurfaces.

Historiquement, ces métasurfaces ont été précédées par les surfaces sélectives en fréquence datant des années 1940, à la suite de l’invention du radar dans les années 1930 [E 1 166] qui découle elle-même de l’invention de la radio. On peut même dire que l’antenne de Marconi à Poldhu en Cornouailles en 1901 était une métasurface composée de fils métalliques. Comme leur nom l’indique, ces surfaces sélectives en fréquence se comportaient comme des filtres fréquentiels avec des propriétés électromagnétiques dépendant de la fréquence de l’onde incidente et de la polarisation de l’onde. On verra dans la suite que les métasurfaces ont enrichi ce concept en l’élargissant à des propriétés comme la transformation de polarisation, la réfraction anormale, l’holographie. De ce fait, on peut considérer les surfaces sélectives en fréquence comme des métasurfaces avant l’heure.

En micro-onde, le développement des métasurfaces est intimement lié au développement du radar et des télécommunications. Dans le domaine radar, elles sont utilisées pour atténuer ou modifier l’écho radar d’un objet, ou de certains éléments de cet objet. En télécommunications, elles permettent de focaliser un ou plusieurs faisceaux, de les dévier, de transformer la polarisation d’une onde, etc.

Dans le domaine optique, les métasurfaces sont d’invention plus récente, typiquement 2010. En effet, les contraintes de réalisation dans ce domaine sont telles que leur développement a suivi les progrès des nanotechnologies en térahertz, puis en infrarouge, et enfin dans le visible [E 6 420]. Les métasurfaces ont des structurations qui sont de l’ordre du dixième de longueur d’onde, ce qui pour des fréquences visibles, entre 400 et 800 nm, correspond à des motifs de quelques dizaines de nanomètres. On retrouvera les propriétés observées dans le domaine micro-onde, avec des spécificités liées à l’optique, comme les effets de proximité lorsque cette métasurface est placée sur un matériau optique.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes et des expressions importants de l’article, ainsi qu’un tableau des notations et des symboles utilisés.