Un nouveau procédé peut rendre les matériaux artificiels transparents ou même entièrement invisibles

L’espace, l’ultime frontière. Le vaisseau spatial Enterprise poursuit sa mission d’exploration de la galaxie, lorsque tous les canaux de communication sont soudainement coupés par une nébuleuse impénétrable. Dans de nombreux épisodes de la série télévisée emblématique, le vaillant équipage doit « tech the tech » et « science the science » en seulement 45 minutes de temps d’antenne afin de faciliter leur évasion de cette situation ou d’une situation similaire avant le générique de fin. Bien qu’ils aient passé beaucoup plus de temps dans leurs laboratoires, une équipe de scientifiques de l’Université de Rostock a réussi à développer une approche entièrement nouvelle pour la conception de matériaux artificiels capables de transmettre des signaux lumineux sans aucune distorsion au moyen de flux d’énergie réglés avec précision. Ils ont publié leurs résultats dans Avancées scientifiques.

« Lorsque la lumière se propage dans un milieu inhomogène, elle subit une diffusion. Cet effet transforme rapidement un faisceau compact et dirigé en une lueur diffuse, et nous est familier à tous des nuages ​​d’été et du brouillard d’automne », a déclaré le professeur Alexander Szameit de l’Institut pour Physique à l’Université de Rostock décrit le point de départ des réflexions de son équipe. Notamment, c’est la distribution de densité microscopique d’un matériau qui dicte les spécificités de la diffusion. Szameit poursuit : « L’idée fondamentale de la transparence induite est de tirer parti d’une propriété optique beaucoup moins connue pour dégager un chemin pour le faisceau, pour ainsi dire. »

Cette deuxième propriété, connue dans le domaine de la photonique sous le titre mystérieux de non-hermiticité, décrit le flux d’énergie, ou plus précisément l’amplification et l’atténuation de la lumière. Intuitivement, les effets associés peuvent sembler indésirables – en particulier l’évanouissement d’un faisceau lumineux dû à l’absorption semblerait très contre-productif pour améliorer la transmission du signal. Néanmoins, les effets non hermitiens sont devenus un aspect clé de l’optique moderne, et tout un domaine de recherche s’efforce d’exploiter l’interaction sophistiquée des pertes et de l’amplification pour des fonctionnalités avancées.

« Cette approche ouvre des possibilités entièrement nouvelles », rapporte la doctorante Andrea Steinfurth, première auteure de l’article. En ce qui concerne un faisceau de lumière, il devient possible d’amplifier ou d’atténuer sélectivement des parties spécifiques d’un faisceau au niveau microscopique pour contrer tout début de dégradation. Pour rester dans l’image de la nébuleuse, ses propriétés de diffusion de la lumière pourraient être complètement supprimées. « Nous modifions activement un matériau pour l’adapter à la meilleure transmission possible d’un signal lumineux spécifique », explique Steinfurth. « A cette fin, le flux d’énergie doit être contrôlé avec précision, afin qu’il puisse s’intégrer au matériau et au signal comme les pièces d’un puzzle. » En étroite collaboration avec des partenaires de l’Université de technologie de Vienne, les chercheurs de Rostock ont ​​relevé ce défi avec succès. Dans leurs expériences, ils ont pu recréer et observer les interactions microscopiques des signaux lumineux avec leurs nouveaux matériaux actifs dans des réseaux de fibres optiques d’un kilomètre de long.

En fait, la transparence induite n’est qu’une des possibilités fascinantes qui découlent de ces découvertes. Si un objet doit vraiment être amené à disparaître, la prévention de la diffusion ne suffit pas. Au lieu de cela, des ondes lumineuses doivent émerger derrière lui sans être dérangées. Pourtant, même dans le vide de l’espace, la diffraction seule garantit que tout signal changera inévitablement de forme. « Notre recherche fournit la recette pour structurer un matériau de telle manière que les faisceaux lumineux passent comme si ni le matériau, ni la région même de l’espace qu’il occupe, n’existaient. Même les dispositifs de camouflage fictifs des Romuliens ne peuvent pas faire cela », dit co-auteur, le Dr Matthias Heinrich, revenant à la dernière frontière de Star Trek.

Les résultats présentés dans ce travail représentent une percée dans la recherche fondamentale sur la photonique non hermitienne et fournissent de nouvelles approches pour le réglage fin actif de systèmes optiques sensibles, par exemple des capteurs à usage médical. D’autres applications potentielles incluent le cryptage optique et la transmission sécurisée de données, ainsi que la synthèse de matériaux artificiels polyvalents aux propriétés sur mesure.