Les capes d’invisibilité ne sont pas seulement possibles, elles deviennent une réalité

Deux types de nanotechnologies, les métalloïdes et les métamatériaux, pourraient bientôt faire de la cape d’invisibilité d’Harry Potter une réalité.

Depuis que les êtres humains écrivent sur la fantasy, les mythes et la science-fiction, le rêve de l’invisibilité a toujours été une priorité absolue. Si Star Trek a introduit l’idée d’un dispositif d’occultation dans la conscience populaire, et Harry Potter l’idée répandue d’une véritable cape d’invisibilité, il n’y a pas eu beaucoup d’applications utiles de la technologie de l’invisibilité à grande échelle. En fait, le développement de la technologie de la furtivité, qui ne confère une invisibilité effective qu’à des longueurs d’onde beaucoup plus grandes que celles que l’œil humain peut percevoir, est le plus proche de l’invisibilité réelle.

L’invisibilité aux radars, c’est-à-dire aux rayonnements électromagnétiques de longueur d’onde micro-ondes à radio, aurait pu être la première étape, mais les développements récents dans les métamatériaux ont permis d’aller encore plus loin, en courbant la lumière autour d’un objet et en le rendant véritablement indétectable. L’avancée décisive qui pourrait enfin faire d’une cape d’invisibilité une réalité s’est produite en 2018, dans un nouveau matériau appelé métalens achromatique à large bande. Pour la première fois, il a rendu un objet indétectable dans tout le spectre de la lumière visible. La fusion de cette technologie avec l’occultation par métamatériaux – une autre avancée récente en matière de nanotechnologie – pourrait enfin permettre la mise au point du premier dispositif d’occultation en lumière visible. Voici l’histoire.

Dans des circonstances normales, lorsque vous bombardez un matériau avec une lumière de n’importe quelle longueur d’onde, le comportement typique est l’absorption ou la réflexion. Si la lumière est absorbée, toute lumière et tout signal d’arrière-plan seront masqués, ce qui vous alertera sur sa présence. En d’autres termes, l’objet ne sera pas transparent.

Si la lumière est réfléchie, tout signal que vous envoyez sera renvoyé vers vous, éclairant l’objet et vous permettant de l’observer directement. Là encore, l’objet ne sera pas transparent.

La seule façon d’obtenir une transparence réelle serait que la lumière provenant de l’arrière de l’objet puisse, d’une manière ou d’une autre, arriver, avec la même trajectoire, devant l’objet, comme si la lumière était transmise directement à travers l’objet. La façon dont un véritable “dispositif d’occultation” fonctionnerait, pour cacher un matériau qui n’est pas intrinsèquement transparent, serait de détourner la lumière autour de l’objet dans toutes les directions. De cette façon, tout observateur, quel que soit son emplacement et son orientation, verrait simplement les signaux d’arrière-plan, comme si l’objet masqué n’existait pas du tout.

Au cours des deux dernières décennies, un revêtement spécial multicouche d’une substance appelée métamatériau a été mis au point. Il permet au rayonnement électromagnétique de certaines longueurs d’onde spécifiques de passer librement autour d’un objet. Contrairement à la transparence, où la lumière traverse un matériau, la structure d’un métamatériau guide la lumière autour d’un objet, l’envoyant sans perturbation dans la même direction qu’à son arrivée.

À partir de 2006, la science de l’optique de transformation nous a permis de cartographier un champ électromagnétique sur une grille spatiale tordable ; lorsque la grille est déformée, le champ l’est aussi, et dans la bonne configuration, un objet intérieur peut être complètement caché. En pliant puis en dépliant la lumière de manière appropriée, les objets peuvent être masqués pour des longueurs d’onde particulières.

En 2016, une occultation à 7 couches de métamatériaux a étendu la portée de l’infrarouge jusqu’aux parties radio du spectre : une énorme couverture de longueurs d’onde, mais qui ne s’étend toujours pas à l’optique.

Une nanotechnologie apparentée aux métamatériaux se présente sous la forme du domaine des métalloïdes. Les lentilles sont bien connues pour leur transparence et leur capacité à modifier l’angle d’émergence des rayons lumineux de fond. Les lentilles convergentes et divergentes sont les formes les plus courantes de lentilles et sont fréquemment utilisées pour corriger la vision humaine sous forme de lunettes. La plupart des matériaux normaux à partir desquels vous pouvez créer une lentille ont la même propriété dispersive qu’un prisme : lorsque vous faites passer de la lumière à travers eux, la lumière ralentit.

Mais, dans toute lentille, il existe une propriété malheureuse selon laquelle la lumière de différentes longueurs d’onde ralentit de façon différente, ce qui explique l’effet “arc-en-ciel” lorsque la lumière traverse un milieu, car la lumière rouge voyage à une vitesse différente de la lumière bleue. Des revêtements peuvent être appliqués à des lentilles soigneusement formées pour minimiser cet effet d’aberration chromatique, mais il est toujours présent dans une certaine mesure. Les appareils photo modernes utilisent des lentilles multiples pour éliminer l’aberration chromatique autant que possible, mais c’est lourd, encombrant, coûteux, et ce n’est pas encore une réussite à 100 %.

C’est là que l’idée d’un métalens peut offrir une amélioration substantielle par rapport aux lentilles traditionnelles, même pour les longueurs d’onde de la lumière visible. Idéalement, un métalens façonnerait les fronts d’onde des ondes lumineuses entrantes, quelle que soit leur longueur d’onde, ce qui permettrait de concentrer la lumière en un point unique, même à la plus petite échelle. Un métalloïde possède de nombreuses propriétés attrayantes, dont les suivantes :

• ils peuvent être très fins (de l’ordre d’une seule longueur d’onde de la lumière),
• ils sont faciles à fabriquer,
• et ils peuvent concentrer la lumière de différentes longueurs d’onde sur un même point.

La percée critique de 2018, qui a été publiée dans Nature Nanotechnology, se fait par l’application de nanofins à base de titane. En fonction de la longueur d’onde de la lumière incidente, ces nanofins guideront la lumière à travers une partie différente du matériau, lui permettant de se courber exactement de la quantité appropriée et nécessaire pour qu’elle aboutisse là où nous en avons besoin.

Dans l’immédiat, cela permet de développer une lentille moins chère, plus légère et plus efficace. Comme l’explique l’un des auteurs de l’article, Wei Ting Chen :

“En combinant deux nanofins en un seul élément, nous pouvons régler la vitesse de la lumière dans le matériau nanostructuré, afin de garantir que toutes les longueurs d’onde dans le visible sont focalisées au même endroit, en utilisant un seul métalens. Cela réduit considérablement l’épaisseur et la complexité de conception par rapport aux lentilles achromatiques standard composites.”

Alors que les premières applications commercialisables de ces métalènes devraient bientôt inclure des appareils photo, des dispositifs VR, des microscopes et d’autres technologies médicales et d’augmentation, une fusion à plus long terme du concept métalène/nanofin avec des métamatériaux pourrait être exactement le Saint Graal des combinaisons technologiques qu’un dispositif d’occultation réel exigerait.

Le plus grand défi à relever dans la construction d’une cape d’invisibilité réelle a été l’incorporation d’une grande variété de longueurs d’onde, car le matériau de la cape doit varier d’un point à l’autre afin de courber (puis de détendre) la lumière de la quantité appropriée. Si les métamatériaux ont réussi à couvrir une gamme impressionnante de longueurs d’onde, ils ont jusqu’à présent exclu la lumière visible, mais l’ajout d’une couche de métalène aux métamatériaux pourrait enfin permettre de surmonter cet obstacle.

Sur la base des matériaux découverts jusqu’à présent, nous n’avons pas encore réussi à pénétrer la partie du spectre correspondant à la lumière visible avec une cape. Cette nouvelle avancée dans le domaine des métamatériaux semble toutefois indiquer que si l’on peut le faire pour une seule longueur d’onde étroite, on peut appliquer cette technologie de nanofines pour étendre considérablement la longueur d’onde couverte. Cette première application aux lentilles achromatiques a couvert presque tout le spectre de la lumière visible : de 470 à 670 nm, alors que la vision humaine s’étend de 400 à 700 nm. La fusion réussie de cette avancée dans le domaine de la métallurgie et des avancées simultanées dans le domaine des métamatériaux ferait des dispositifs d’occultation de la lumière visible une réalité.

Il y a quelques années à peine, on pensait qu’une cape d’invisibilité réelle ne pouvait être appliquée qu’à un ensemble très étroit de longueurs d’onde pour quelques configurations spécifiques. On pensait qu’il était inconcevable que des objets macroscopiques de grande taille puissent être masqués pour une grande variété de longueurs d’onde.

Aujourd’hui, une avancée dans le domaine de la métallisation, qui consiste à guider la lumière de différentes longueurs d’onde à l’endroit approprié pour obtenir le résultat sans distorsion que nous souhaitons tant, pourrait être la découverte dont nous avons besoin pour annoncer l’arrivée d’un véritable dispositif d’occultation.

Comme l’a imaginé Star Trek, il a fallu des siècles pour que la technologie de l’occultation soit perfectionnée. Ici, sur Terre, cela pourrait ne prendre qu’une ou deux décennies. Si cette dernière avancée du métalens peut être rapidement appliquée aux occultations métamatérielles, un dispositif d’occultation optique en 3D pourrait enfin devenir une réalité dans un avenir très proche de l’humanité.

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Source : Big Think – Traduit par Anguille sous roche