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EnglishRÉSUMÉ
L'invisibilité, d'un point de vue physique, est basé sur l'invariance des équations de Maxwell dans la transformation géométrique de coordonnées. Dans cet article, le principe de la transformation d'espace et ses applications en électromagnétisme à la cape d'invisibilité et à divers composants, sont décrit depuis les concentrateurs, les adaptateurs de mode, les guides d'onde et les antennes jusqu'aux trous de ver électromagnétiques. Les procédés mis en œuvre pour réaliser ces composants sont également présentés.
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André de LUSTRAC : Professeur de l'université Paris X - Responsable de l'équipe cristaux photoniques et métamatériaux, IEF, Université Paris-Sud, Orsay
INTRODUCTION
L'invisibilité est un vieux mythe de l'humanité qui doit dater sans doute de l'époque où le succès à la chasse ou à la guerre devait dépendre de la capacité à se rendre le plus discret possible. Cette invisibilité, après avoir fait la fortune des conteurs, des écrivains et des cinéastes, est devenue presque une réalité en 2006 avec la première réalisation pratique d'une cape d'invisibilité électromagnétique. L'invariance des équations de Maxwell dans la transformation géométrique de coordonnées est ainsi devenue un sujet d'actualité cette année-là avec la première proposition d'une cape d'invisibilité cylindrique par J.B. Pendry et U. Leonhardt. La fabrication et la caractérisation expérimentales de cette première cape à des fréquences micro-ondes ont montré que cet outil était très efficace. Après cette réalisation, plusieurs applications de cette transformation ont été proposées pour des concentrateurs, des guides d'ondes, des transitions et des coudes, des rotateurs, des antennes directives, et même des trous de ver électromagnétiques. Cette transformation de coordonnées apparaît donc comme un outil puissant pour la conception de dispositifs ou composants avec des propriétés spéciales difficiles à obtenir à partir de géométries et de matériaux classiques. Théoriquement, la méthode de transformation de coordonnées consiste en la génération d'un nouvel espace transformé à partir d'un espace initial où les solutions des équations de Maxwell sont connues. La première étape consiste à imaginer un espace de départ et un espace d'arrivée avec leurs propriétés topologiques et les relier à travers une transformation analytique. La plupart de ces travaux est fondée sur une transformation continue qui produit un espace final avec des paramètres électromagnétiques complexes, hétérogènes et anisotropes. La difficulté consiste à réaliser concrètement ensuite ce nouvel espace. Pour rendre cette fabrication plus facile, une simplification des paramètres a été proposée dès les premiers travaux, avec l'inconvénient d'une désadaptation d'impédance entre le matériau et son environnement. Plus récemment, une transformation discrète appliquée à des structures multicouches a été proposée pour simplifier encore cette réalisation. Dans cet article, nous présenterons les principes et les principales applications envisagées pour cette transformée, à l'invisibilité mais aussi aux antennes.
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4. Conclusion et perspectives
Les perspectives d'applications de la transformation d'espace semblent très variées. Les exemples présentés ci-dessus en témoignent même si on est encore loin de réalisations industrielles. De même, il apparaît en première approximation que ces applications sont transposables à n'importe quelle fréquence. Mais dans la plupart des cas, il s'agit de structures métallo-diélectriques, et les métaux n'ont pas le même comportement aux fréquences micro-ondes, infrarouges et optiques. Par conséquent les possibilités d'application se différencieront fortement entre les domaines hyperfréquences d'une part, et les fréquences infrarouges et visibles d'autre part. Pour ces domaines, la difficulté concerne principalement la réalisation des matériaux dont les motifs métalliques ont des tailles de l'ordre du dixième de la longueur d'onde et le contrôle de leurs géométries [AF 3 713].
Dans le domaine hyperfréquence, les réalisations semblent plus faciles puisqu'elles font appel en général à des matériaux peu coûteux. Mais elles dépendront fortement de la complexité des paramètres électromagnétiques à réaliser. Dans les rares réalisations proposées dans la littérature, ces paramètres ont été simplifiés, et souvent l'adaptation d'impédance a été sacrifiée pour obtenir un matériau réalisable. On se heurte, dans ce cas, au problème des pertes par réflexion, et aux solutions déjà existantes qui ont fait leurs preuves, par exemple pour les antennes. Autre difficulté rencontrée : la faible bande passante des métamatériaux utilisés, en particulier ceux qui sont basés sur des structures résonantes du type des résonateurs cylindriques fendus de Pendry. En réalité cette difficulté n'en est pas une, car on peut utiliser des métamatériaux à large bande tels que les réseaux de fils métalliques, ou encore des métamatériaux composites ...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - TANNERY (P.), HENRY (C.), De WAARD (C.) - Œuvres de P. Fermat. - Gauthier-Villars et Cie, Paris, p. 1891-1922.
-
(2) - PENDRY (J.B.), SCHURIG (D.), SMITH (D.R.) - Controlling electromagnetic fields. - Science, 312, p. 1780 (2006).
-
(3) - LEONHARDT (U.) - Optical conformal mapping. - Science, 312, p. 1777 (2006).
-
(4) - GALLINA (I.), CASTALDI (G.), GALDI (V.) - A higher-order optical transformation for nonmagnetic cloaking. - Microwave and Optical Technology Letters, vol. 50, no 12, déc. 2008.
-
(5) - CAI (W.), CHETTIAR (U.K.), KILDISHEV (A.V.), SHALAEV (V.M.) - Designs for optical cloaking with high-order transformations. - Optics Express, vol. 16, no 8, p. 5444, avr. 2008.
-
(6) - MANDATORI (A.), BENEDETTI (A.), SIBILIA (C.), BERTOLOTTI (M.) - Application of ray-path geometry to the design of an optical cloaking...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Page personnelle d'U. Leonhardt http://www.st-andrews.ac.uk/~ulf/
Page personnelle de J. Pendry http://www.cmth.ph.ic.ac.uk/photonics/Newphotonics/
Page personnelle de D.R. Smith http://www.ee.duke.edu/~drsmith/
Page personnelle de W. Shalaev http://cobweb.ecn.purdue.edu/~shalaev/
Cape d'invisibilité non magnétique sur le site du CNRS http://www.cnrs.fr/insis/recherche/faits-marquants/2010/cape-invisibilite-magnetique.htm
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