Combiner la nanotechnologie de deux variétés différentes pourrait être le changement dont nous avons toujours rêvé.

Depuis que les êtres humains écrivent sur la fantaisie, le mythe et la science-fiction, le rêve de l’invisibilité a toujours été une priorité absolue. Bien que Star Trek ait introduit l’idée d’un dispositif occulteur dans la conscience populaire, le plus proche que nous ayons connu est le développement de la technologie furtive. L’invisibilité au radar, qui est un rayonnement électromagnétique à longue longueur d’onde, aurait pu être la première étape, mais les développements récents dans le domaine des métamatériaux l’ont encore plus étendu, en courbant la lumière autour d’un objet et en le rendant indétectable. Plus tôt cette semaine, un nouveau matériau appelé métalens achromatique à large bande a recouvert pour la première fois l’ensemble du spectre de la lumière visible. La fusion de cette technologie avec l’occultation de métamatériaux pourrait lancer le premier occulteur à lumière visible.


En pliant la lumière autour d’un objet, la science de l’optique de transformation pourrait permettre le premier dispositif de dissimulation 3D fonctionnel. Une nouvelle avancée dans le domaine des métaux, si elle est appliquée avec succès, pourrait étendre un voile à la partie visible du spectre. Crédit d’image: Hyperstealth Biotechnology.

Dans des circonstances normales, lorsque vous bombardez un matériau avec de la lumière de n’importe quelle longueur d’onde, le comportement typique est l’absorption ou la réflexion. Si la lumière est absorbée, la lumière de fond et les signaux seront obscurcis, ce qui vous avertira de sa présence. (En d’autres termes, l’objet ne sera pas transparent.) Si la lumière est réfléchie, tout signal que vous enverrez vous sera renvoyé, éclairant l’objet et vous permettant de l’observer directement. Alors que la technologie furtive minimise la réflectivité, un véritable « dispositif occulteur » détourne la lumière autour d’un objet de toutes les directions, de sorte que n’importe qui, à partir de n’importe quel endroit, voit simplement les signaux de fond, comme si l’objet occulté n’était pas là du tout.


Il y a un peu plus d’une décennie, les premiers manteaux 2D ont été développés, cachant des objets sous un angle particulier. Aujourd’hui, nous travaillons vers une véritable cape 3D. Crédit d’image: Igor Smolyaninov / Université du Maryland.

Un revêtement spécial multicouche d’une substance connue sous le nom de métamatériau a été mis au point, permettant aux rayonnements électromagnétiques de circuler librement autour d’un objet. La structure d’un métamatériau guide la lumière autour d’un objet, l’expulsant de façon ininterrompue dans la même direction qu’il est entré. A partir de 2006, la science de l’optique de transformation nous a permis de cartographier un champ électromagnétique sur une grille tournante et spatiale; lorsque la grille est déformée, le champ aussi, et dans la configuration correcte, un objet intérieur peut être complètement caché. En courbant puis en dépliant la lumière de manière appropriée, les objets peuvent être dissimulés à des longueurs d’onde particulières de la lumière. A partir de 2016, un manteau de métamatériau à 7 couches a étendu la gamme de l’infrarouge jusqu’aux portions radio du spectre.


Gauche: Coupe transversale d’un cylindre PEC infiniment long, soumis à une onde plane. Les champs éparpillés peuvent être observés. A droite: une cape 2 dimensions, conçue selon les techniques de l’optique de transformation, est utilisée pour recouvrir le cylindre. Il n’ y a pas de diffusion dans ce cas et le cylindre est électromagnétiquement invisible. Crédit image: Physicsch / Wikimedia Commons.

Le domaine des métaux est lié aux métamatériaux. La plupart des matériaux normaux à partir desquels vous pouvez créer une metalens (une lentille) ont les mêmes propriétés dispersives qu’un prisme: lorsque vous passez la lumière à travers celle-ci, la lumière ralentit. Mais la lumière des longueurs d’onde différentes ralentit à des niveaux différents, c’est pourquoi vous obtenez un effet « arc-en-ciel » lorsque la lumière traverse ce milieu, car la lumière rouge se déplace à une vitesse différente de celle de la lumière bleue. Des revêtements peuvent être appliqués sur des lentilles soigneusement façonnées pour essayer de minimiser cet effet d‘aberration chromatique, mais il est toujours présent dans une certaine mesure. Les appareils photos modernes utilisent des objectifs multiples pour éliminer autant que possible les aberrations chromatiques, mais elles sont lourdes, encombrantes, coûteuses et ne réussissent pas à 100%.


Le comportement de la lumière blanche en passant à travers un prisme montre comment la lumière de différentes énergies se déplace à différentes vitesses à travers un milieu, mais pas à travers un vide. Crédit d’image: Université de l’Iowa.

Idéalement, un métalène façonnerait les fronts d’onde sans tenir compte de la longueur d’onde, ce qui permettrait de se concentrer jusqu’ à un seul point, même sur les plus petites échelles. Les métalènes peuvent être très minces (de l’ordre d’une seule longueur d’onde de lumière), ils sont faciles à fabriquer et peuvent focaliser la lumière d’une variété de longueurs d’onde sur le même point. La récente percée, publiée dans Nature Nanotechnology, est l’application de nanofins à base de titane. En se basant sur la longueur d’onde de la lumière incidente, ces nanofins guideront la lumière à travers une partie différente du matériau, lui permettant de se plier exactement à la quantité nécessaire pour qu’elle finisse là où nous en avons besoin.

Grâce à la nouvelle technologie associée à ces nouveaux métaux, la lumière provenant de tous les domaines du spectre peut être focalisée sur un seul point, éliminant ainsi virtuellement toute aberration chromatique. Crédit image: Jared Sisler / Harvard SEAS.
Immédiatement, cela rend une lentille moins chère, plus légère et plus efficace. Comme l’explique Wei Ting Chen:

En combinant deux nanofins en un seul élément, nous pouvons régler la vitesse de la lumière dans le matériau nanostructuré, pour nous assurer que toutes les longueurs d’onde du visible sont focalisées au même endroit, en utilisant un seul métal. Cela réduit considérablement l’épaisseur et la complexité de conception par rapport aux verres achromatiques standards composites.
Bien que les applications immédiates de ces lentilles métalliques devraient inclure les caméras, les appareils de RV, les microscopes et d’autres technologies médicinales et amélioratrices, une fusion à plus long terme du concept métalens/nanofin avec les métamatériaux pourrait être exactement le Saint Graal qu’un dispositif occulteur requiert.


Grâce à la puissance d’un métalens, la lumière entrante provenant de l’ensemble du spectre sur une grande surface peut être focalisée jusqu’ à un point. Si cette lumière peut alors être pliée autour d’un objet, désaxée et envoyée dans sa direction initiale, nous aurions un véritable dispositif occulteur. Crédit d’image: W. T. Chen et al., Nature Nanotechnology (2018), doi: 10.1038/s41565-017-0034-6.

Le plus grand défi auquel fait face un voile de la vraie vie a été l’incorporation d’une grande variété de longueurs d’onde, car le matériau du voile doit varier d’un point à l’autre pour plier (et ensuite délier) la lumière par la quantité appropriée. Sur la base des matériaux découverts jusqu’ à présent, nous n’avons pas encore réussi à pénétrer la partie visible du spectre. Cette nouvelle avancée dans le domaine des métaux semble toutefois indiquer que si vous pouvez le faire pour une seule longueur d’onde étroite, vous pouvez appliquer cette technologie de nanofines pour étendre considérablement la longueur d’onde couverte. Cette première application aux lentilles achromatiques couvrait presque tout le spectre de la lumière visible (de 470 à 670 nm), et la fusion de ce spectre avec les progrès des métamatériaux permettrait de faire des dispositifs occulteurs à lumière visible une réalité.


Cintrage de la lumière et focalisation sur un point, quelle que soit sa longueur d’onde ou l’endroit où elle est incidente sur votre surface, est une étape clé vers un véritable dispositif occulteur. La combinaison des métaux et des métamatériaux pourrait faire de ce rêve de science-fiction une réalité. Source de l’image: M. Khorasaninejad et coll.

Il y a quelques années à peine, on a supposé qu’un voile d’invisibilité réel ne pouvait être appliqué qu’ à un ensemble très étroit de longueurs d’onde et pour quelques configurations spécifiques. On pensait qu’il était inconcevable que de grands objets macroscopiques puissent être dissimulés dans une grande variété de longueurs d’onde. Aujourd’hui, une avancée dans le domaine des métaux, en guidant la lumière de différentes longueurs d’onde à l’endroit approprié pour obtenir le résultat sans distorsion que nous désirons tant, pourrait être juste la découverte dont nous avons besoin pour annoncer l’arrivée d’un véritable dispositif occulteur. Comme Star Trek l’avait d’abord imaginé, il a fallu des siècles pour perfectionner la technologie de dissimulation. Ici sur Terre, ça peut prendre une dizaine d’années. Si cette dernière avancée des métalens peut être rapidement appliquée aux manteaux métamatériaux, un dispositif de dissimulation optique 3D pourrait devenir une réalité dans l’avenir très proche de l’humanité.

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