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Rendre invisible un objet, certes, mais le rendre inébranlable ?

Publié en ligne le 23 novembre 2012 -
par Georges Jobert

En aval d’un bateau amarré dans un courant rapide, se forment des tourbillons qui trahissent sa présence. En mer, ce sont eux aussi qui, par les sons qu’ils émettent, permettent de détecter un sous-marin en mouvement. Par contre, si le courant est lent – ou le sous-marin immobile - les filets d’eau se divisent en amont du bateau, se resserrent ensuite, et celui-ci est invisible en aval, de ce point de vue au moins.

Cette observation simple est, en quelque sorte, à l’origine d’une explosion : des millions de références sur Google. Il suffisait d’y associer les mots "cape d’invisibilité" 1. Ce sont les rayons de lumière réfléchis, réfractés ou diffractés par un objet, qui le rendent visible. On peut diminuer sa visibilité en réduisant la réflectivité de sa surface. C’est ce qui est réalisé pour les avions furtifs 2 (ou les sous-marins). En utilisant des dispositifs ad hoc très particuliers, on peut aller plus loin, comme dans l’expérience de S.Zhang et al., de l’Université de Birmingham, où l’on cache un petit objet derrière des prismes de calcite transparente 3.

Pour aller encore plus loin et rendre l’objet complètement invisible, on peut imaginer de le placer dans une coque transparente, et de faire en sorte qu’un rayon lumineux entrant dans la coque, soit maintenu dans celle-ci et en ressorte dans l’alignement du point d’entrée, sans avoir atteint l’objet. Une telle prouesse n’est évidemment pas possible dans le cadre de l’optique géométrique. Elle est cependant réalisable, au moins dans une certaine gamme de longueurs d’onde, grâce à la diffraction des ondes lumineuses. Comment y parvenir ?

Pour le calcul d’ailes d’avion en hydrodynamique, de condensateurs en électrostatique, d’aimants, on fait appel à des transformations de coordonnées. On peut en construire, par exemple, qui font passer d’un ensemble de lignes parallèles, à un où les lignes s’écartent de façon à laisser un espace vide entre elles. La même méthode peut s’appliquer à la lumière. Si le champ électromagnétique étudié se propage dans un milieu transparent, suivant des lignes de courant parallèles, il lui correspondra, dans la transformation, un champ électromagnétique se propageant selon la seconde configuration, mais dans un milieu dont les propriétés 4 seront modifiées 5 en fonction de la forme de la cavité. C’est en étudiant des milieux ayant ce type de propriétés, qu’on a introduit le concept de "méta-matériaux".

Dans un numéro de Science en 2006, J.Pendry et ses collaborateurs, et U.Leonhardt ont montré que l’on pouvait concevoir des matériaux capables de dévier des micro-ondes pour leur faire éviter un objet. Pour passer des micro-ondes à la lumière visible, il faut une réduction des longueurs d’onde de l’ordre de plusieurs dizaines de milliers. On devra donc utiliser des nano-particules. Une autre approche est basée sur des travaux de Pendry sur les particules plasmoniques et les super-lentilles.

Dans la pratique on a pu réaliser des matériaux dont les propriétés s’approchent de celles requises. On a proposé de très nombreuses espèces de méta-matériaux, composés de couches alternées variées, dont l’anisotropie et l’hétérogénéité permettent de diffracter convenablement les rayons lumineux 6.

Lumineux ? Mais pas uniquement. D’autres phénomènes obéissent, dans leur propagation, aux mêmes types d’équations que la lumière. Pour l’instant on ne vise pas l’invisibilité à proprement parler. Il s’agit plutôt de construire des barrières protectrices. S.Enoch et al. ont réalisé, dans un bassin rempli d’eau agitée, un barrage formé par 6 séries concentriques de petits plots qui créent des interférences destructrices entre les vagues qui les traversent. Ils ont montré qu’au centre du dispositif, la surface de l’eau est calme. On imagine les difficultés que l’on rencontrera si l’on cherche à utiliser en mer des barrages analogues pour protéger des zones fragiles (ports, falaises, plate-formes, éoliennes…).

Des expériences du même type ont été réalisées pour diffracter des ondes sismiques, Leurs longueurs d’onde sont toutefois de l’ordre de la dizaine de kilomètres au lieu du micromètre. Une première expérience 7 a été menée sur un modèle réduit : une plaque élastique composée d’une série de couches de 6 polymères plastiques différents, avec un objet placé au centre du dispositif. Celui-ci n’a pas été affecté par des vibrations dont la fréquence était adaptée à la structure.

L’expérience de terrain a consisté 8 à entourer la zone test par une couronne où une série de trous cylindriques concentriques, de 2 m de diamètre et 4 m de profondeur, étaient produits dans le sol par compactage dynamique ; la chute d’une masse de 17 t de 20 m de haut a produit l’équivalent d’un séisme de magnitude 4. L’objet test placé au centre du dispositif a bien résisté. Par ailleurs les ondes qui ont traversé la zone ont subi une réduction d’amplitude de 30 % 9.

Ce résultat est certes encourageant. Mais on rencontre de très grandes difficultés quand on passe du laboratoire au terrain. Le sous-sol est un milieu complexe et mal connu dans le détail. Les modifications qu’on peut lui faire subir en surface ne peuvent être que bien peu profondes, par rapport à la longueur d’onde des ondes de surface, qui se chiffre en dizaines de km. Les ondes de volume transversales, très destructrices aussi, arrivent directement sous la structure et ne sont donc pas affectées par le dispositif de surface.

Les auteurs mentionnent l’intérêt que pourraient présenter de telles réalisations pour diminuer le risque sismique dans une installation nucléaire. Si d’autres expériences le confirment, il semble probable que, de toute façon, elles ne puissent être mises en œuvre que pour de nouvelles centrales.

Chaque jour voit de nouvelles applications. Quoique n’obéissant pas à l’équation des ondes, la chaleur aussi peut voir sa diffusion modifiée par un méta-matériau adéquat. C’est ce qu’ont montré Guenenau et ses collègues 10. Que deviendront les caméras ou détecteurs à infra-rouges, si l’on peut fabriquer un méta-matériau efficace et bon marché ? On peut agir aussi dans l’autre sens et chercher à concentrer la chaleur, pour améliorer l’efficacité des capteurs d’énergie solaire.

À voir l’intérêt qu’elles soulèvent, on peut s’attendre à ce que toutes ces recherches soient bien soutenues dans le futur. Les méta-matériaux ont un bel avenir !

1 Qui évoquent Siegfried aussi bien, hélas, que Harry Potter..

4 Dans un milieu quelconque, un champ électromagnétique est caractérisé par plusieurs grandeurs (vectorielles) : champ électrique et champ magnétique, induction électrique et induction magnétique. Champ et induction sont liés linéairement par des grandeurs (tensorielles) respectivement appelées permittivité diélectrique et perméabilité magnétique. Dans un milieu isotrope - la vitesse d’une onde n’y dépend pas de sa direction de propagation ; elle en dépend pour un milieu anisotrope - la relation linéaire est une simple proportionnalité et les ondes électromagnétiques se propagent à une vitesse qui dépend de la racine carrée du produit de ces grandeurs (scalaires). Pour des milieux absorbants ou métalliques, la vitesse devient un nombre complexe, et l’onde s’atténue dans sa propagation.

5 Un rayon lumineux au moins, celui qui atteindrait le point brillant de l’objet, doit se dédoubler, pour se réunifier après avoir fait le tour de l’objet. Ceci introduit une singularité dans la transformation qui se traduira par des valeurs infinies pour les propriétés du milieu en certains de ses points.

7 http://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00426584/ M. Farhat, S. Guenneau, S. Enoch, and A. B. Movchan, “Ultrabroadband Elastic Cloaking in thin Plates”, Physical Review Letters, 103, 024301 (2009).

8 À l’Institut Fresnel de Marseille par S.Guenneau, S.Brulé. Voir http://www.fresnel.fr/spip/spip.php?article855

9 Ce n’était donc pas une cape d’invisibilité !

10 S. Guenneau, C. Amra, and D. Veynante, ‘’Transformation thermodynamics : cloaking and concentrating heat flux’’, Optics Express, 20, 8207 (2012)


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