Manipuler les ondes à des échelles sub-longueur d’onde
Les chercheurs de l’Institut Langevin « ondes et images » (CNRS/ESPCI Paristech) ont démontré que les métamatériaux permettent de réaliser le même type de prouesses technologiques que leurs ainés, les cristaux photoniques et phononiques, avec une différence notable : les structures mises en jeu sont bien plus petites et leurs dimensions peuvent être très inférieures à la longueur d’onde.
Il est désormais possible en utilisant des métamatériaux de contrôler, confiner ou plus généralement manipuler des ondes sur des échelles qui sont indépendantes de leur dimension caractéristique, c’est-à-dire la longueur d’onde. Ces opérations sont couramment réalisées depuis une vingtaine d’année à l’aide de cristaux photoniques et phononiques, qui sont des matériaux composites structurés à l’échelle de la longueur d’onde. Les composants ainsi obtenus présentent des tailles caractéristiques bien plus grandes que celle-ci. Ceci ne pose pas de problème pour les ondes optiques, qui sont sub-micrométriques, mais est inenvisageable pour les micro-ondes, qui sont décimétriques.
En modifiant localement des métamatériaux dont les cellules unité sont de petits résonateurs, les chercheurs ont démontré, dans les domaines des micro-ondes et del’acoustique audible, des composants 10 à 25 plus petits que ceux de l’état l’art tels que des guides d’ondes ou des cavités. Ces résultats ouvrent de nombreuses perspectives notamment dans les gammes de fréquences micro-ondes ou Terahertz pour lesquels la longueur d’onde est relativement grande, avec à la clé de nombreuses applications en radar ou télécommunications. Les chercheurs ont par ailleurs démontré que ces idées restent valables dans le cas où les métamatériaux ne sont plus périodiques mais aléatoires.
Figure 1: a) Dispositif expérimental utilisé pour guider des micro-ondes sur des échelles très petites devant la longueur d'onde. b) Démonstration expérimentale d'un guide d'onde en forme de coude pour les ondes électromagnétiques et dont la largeur typique est d'1/50ème de longueur d’onde (représenté en vert à gauche).
Références
Wave propagation control at the deep subwavelength scale in metamaterials, Lemoult, F., Kaïna, N., Fink, M. and Lerosey, G. Nature Physics 9, 55–60 (2013)
Ultra-low mode volumes defect cavities in ordered and disordered metamaterials, Kaïna, N., Lemoult, F., Fink, M. and Lerosey, G. Applied Physics Letters 102, 144104 (2013)
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