Présentation
EnglishRÉSUMÉ
Cet article décrit les principes de base des métasurfaces et leurs principales applications en micro-onde et en optique. Il met en évidence les différences fondamentales qui existent entre les métamatériaux et les métasurfaces, ainsi que les approches distinctes entre les domaines micro-onde et optique. Au-delà des métasurfaces passives qui existent depuis l’invention du radar dans les années 30, l’article détaille les concepts et les développements parus récemment. Les principales applications des métasurfaces passives et reconfigurables en télécommunication, absorption, et en holographie sont présentées.
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André de LUSTRAC : Professeur émérite, Université Paris Nanterre, - Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Université Paris-Saclay, France
INTRODUCTION
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.
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4. Conclusion
Nous avons essayé dans cet article de donner un panorama de l’univers (en expansion rapide) des métasurfaces, à la fois en micro-onde et en optique. Cet article ne peut être exhaustif dans la mesure où le nombre d’articles publiés sur le sujet compte plusieurs milliers d’items actuellement. Il vise surtout à donner une idée de la variété d’études et d’applications qui ont été publiées jusqu’à présent.
Nous avons vu d’abord les principes physiques de base de ces métasurfaces. Comme cela apparaît dans ces principes, les métasurfaces fonctionnent de manière assez différente des métamatériaux. Autant ceux-ci sont basés sur le principe du matériau effectif avec des propriétés électromagnétiques se traduisant par des concepts de permittivité et de perméabilité effectives, isotropes ou anisotropes, ou dépendant de la polarisation, autant pour les métasurfaces on utilise des coefficients de réflexion et de réfraction, de transformation de polarisation. Ces propriétés vont, elles aussi, souvent dépendre de la polarisation.
De ces propriétés découlent les différents types d’applications en micro-onde et en optique que nous avons présentés. Ces applications font appel à des métasurfaces passives dans un premier temps, avec cependant des différences liées au domaine d’application, micro-onde ou optique. En particulier en optique, grâce aux progrès des nanotechnologies, on se tourne progressivement vers des métasurfaces quasi atomiques dans lesquelles les différentes couches sont contrôlées au nanomètre près. On a vu ainsi successivement des applications dans le domaine radar, télécommunications, holographie, transformation de polarisation, etc.
Le concept de métasurfaces reconfigurables vient ensuite enrichir ces applications par la possibilité de contrôler les différentes propriétés électromagnétiques de ces métasurfaces au prix d’une complexité de fabrication croissante. Ici aussi, cette approche se décline à la fois en micro-onde et en optique avec cependant des démarches très différentes suivant les domaines.
Pour conclure, autant le concept de métamatériau permettait de transformer les propriétés électromagnétiques volumiques d’un matériau, en accédant à des propriétés non observées dans les matériaux « naturels », autant...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SELLIER (A.) et al - * - . – Appl. Phys. A, 117 : p. 739-746 (2014).
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(2) - MUNK (B.) - Frequency Selective Surfaces. - Wiley Interscience.
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(3) - SELLIER (A.), TEPERIK (T.V.), de LUSTRAC (A.) - Resonant circuit model for efficient metamaterial absorber. - Opt. Express 21 (S6), A997 (2013).
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(4) - MONTI (A.) et al - Analytical modeling for microwave and optical métasurfaces. - AIP Conf. Proc., 270009-1-270009-4 (1738).
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(5) - ZHANG (K.) et al - * - . – Opt. Exp., vol. 26, n° 2, p. 1351-1360 (2018).
-
(6) - CHEN (H.-T.), TAYLOR (A.J.), YU (N.) - A review of metasurfaces : physics and applications. - arXiv :1605.07672v1
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
On recense 5 810 brevets relatifs aux métasurfaces sur Google Patents.
HAUT DE PAGE2.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
http://school.metamorphose-vi.org/
HAUT DE PAGE2.2 Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
Institut Fresnel, Université de Marseille.
IEMN, Université de Lille.
LEME, Université Paris Nanterre.
C2N, Université Paris Saclay.
Telecom Paris Tech, Saclay.
CRHEA, Nanométasurfaces, Nice.
Imperial College, Faculty of Natural Sciences, Department of Physics, Londres.
Université de Duke, Computer and Electrical Engineering Department, Caroline du Nord, CUNY, Metamaterials and Plasmonic research laboratory, New-York.
Penn State University, Computational Electromagnetics and Antenna research laboratory.
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