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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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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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- Version archivée 1 de janv. 2007 par André DE LUSTRAC
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5. Glossaire
Métamateriau ; Metamaterial
Matériau artificiel ayant des propriétés physiques au-delà des propriétés des matériaux naturels.
Matériau à main gauche ; Left-handed material
Matériau dans lequel la vitesse de phase de l’onde électromagnétique est négative. L’indice optique de ce matériau est réel mais négatif.
Résonateurs circulaires coupés (RCC) ; split-ring resonators (SRR)
Résonateurs circulaires coupés qui présentent une fréquence de résonance lorsqu’un champ magnétique parallèle à leur axe les traverse. La perméabilité équivalente des ces résonateurs peut devenir négative au voisinage de cette fréquence de résonance.
Vitesse de phase ; phase velocity
Vitesse de changement de la phase d’une onde. Cette vitesse peut devenir négative dans un matériau à main gauche. Dans ce cas le champ électrique, le champ magnétique et le vecteur d’onde de l’onde se propageant dans le matériau forment un trièdre inversé (représenté par les trois doigts de la main gauche, pouce, index et majeur). Dans certains métamatériaux avec un indice optique inférieur à l’unité cette vitesse excède la vitesse de la lumière dans le vide.
Vitesse de groupe ; group velocity
Vitesse de propagation d’un paquet d’onde. Cette vitesse reste positive dans un matériau à main gauche. Cette vitesse également peut dans certains cas excéder la vitesse de la lumière dans le vide.
Métasurface ; metasurface
Structure bidimensionnelle comportant en général des motifs métalliques sur un substrat diélectrique. Les métasurfaces sont les héritières à la fois des surfaces sélectives en fréquences et des métamatériaux. Elles sont utilisées à la fois en optique et en micro-onde pour leurs propriétés de filtrage, de changement de phase, de réflexion, de transmission ou d’absorption.
Superlentille, hyperlentille ; superlens, hyperlens
Dispositif focalisant (ce n’est pas une lentille au sens optique) qui n’est pas limité par la limite de diffraction des systèmes optiques classiques. Ce dispositif utilise un métamatériau à indice négatif.
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BIBLIOGRAPHIE
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(2) - YAGI (H.) - Beam transmission of ultra-short waves. - IRE Proc., p. 715-741, 16 juin 1928.
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(3) - * - http://archive.darpa.mil/DARPATech2002/presentations/dso_pdf/speeches/BROWNING.pdf
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(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).
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(6) - SMITH (D.R.), PADILLA (W.J.), VIER (D.C.), NEMAT-NASSER (S.C.), SCHULTZ (S.) - Composite medium...
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