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Présentation
En anglais
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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This paper presents the principle and the main properties of electromagnetic and optical metamaterials. The main physical properties are listed, with, in particular, the concept of negative refractive index, and of "left handed" materials. The concept of metasurface, derived simultaneously from frequency selective surfaces and from metamaterials, is also introduced. Some examples of applications of metamaterials and metasurfaces are presented in the microwave domain but also in optics. These examples, far from being exhaustive, demonstrate the wide range of potential applications of these materials.
Auteur(s)
-
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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KEYWORDS
microwave | electromagnetic compatibility | metamaterials | left handed materials
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2007 par André DE LUSTRAC
DOI (Digital Object Identifier)
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Principes et propriétés
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1. Origine et développement des métamatériaux
Les métamatériaux ne sont pas de création récente, en particulier les métamatériaux en optique. De tout temps, les artisans ont cherché à améliorer les matériaux avec lesquels ils travaillaient (cf. encadré Historique).
Parmi les exemples les plus célèbres, on trouve les alliages utilisés en métallurgie ou les vitraux en verre coloré des cathédrales. En optique, les métamatériaux sont par conséquent millénaires. Par contre en électromagnétisme, ils sont nettement plus récents. Mais ils ont quand même fait leur apparition très tôt puisqu’on peut considérer par exemple que le brevet concernant un réflecteur métallique formé d’une grille périodique de fils déposé par Marconi et Franklin en 1919 est un exemple de métamatériau . De même l’antenne de télévision inventée en 1926 à l’université de Sendaï au Japon par H. Yagi est elle aussi un exemple de métamatériau . Pendant et après la Seconde Guerre mondiale, suite à l’invention du radar, de nombreux travaux ont porté sur des matériaux artificiels qui présentaient des propriétés inconnues ou supérieures à celles des matériaux naturels telles qu’une permittivité relative inférieure à 1, ou des perméabilités très élevées. Ces matériaux artificiels constituaient eux aussi des métamatériaux.
L’appellation « métamatériau » date de la fin des années 1990 et qualifie différentes classes de matériaux artificiels en électromagnétisme, mais également en optique, en mécanique, thermique, etc. ...
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Origine et développement des métamatériaux
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MUNK (B.A.) - Frequency selective surfaces. Theory and Design. - Wiley Interscience (2000).
-
(2) - YAGI (H.) - Beam transmission of ultra-short waves. - IRE Proc., p. 715-741, 16 juin 1928.
-
(3) - * - http://archive.darpa.mil/DARPATech2002/presentations/dso_pdf/speeches/BROWNING.pdf
-
(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).
-
(6) - SMITH (D.R.), PADILLA (W.J.), VIER (D.C.), NEMAT-NASSER (S.C.), SCHULTZ (S.) - Composite...
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