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Les capes d’invisibilité

par Bernard Miltenberger

Qui a vu ou lu Harry Potter connait la cape d’invisibilité sous laquelle le jeune magicien s’abritait pour disparaitre aux yeux de ses adversaires.

Qui a vu ou lu les aventures de l’homme invisible de H. G. Wells s’est toujours dit que cela n’était qu’une histoire et resterait impossible à réaliser dans la vraie vie.

Et pourtant, quelques uns d’entre nous, dés 1986, se sont attachés à rendre nos têtes nucléaires invisibles à l’œil des radars, et aujourd’hui encore nombreux sont ceux, à la DAM, qui travaillent  à améliorer sans cesse cette « furtivité » et cherchent à étendre ce concept d’invisibilité dans un domaine de fréquences de plus en plus large.

J’ai moi-même donné de nombreuses années à cette quête de performances, le CESTA, Le Ripault, et BIII aussi.

Et voila que, suite à un article du monde en ce début 2012, on découvre qu’un laboratoire américain, travaillant pour le compte de la Défense, annonce avoir réalisé une première expérience réussie d’invisibilité dans le domaine des longueurs d’ondes optiques du spectre de la lumière visible ! En élargissant la recherche sur le web on s’aperçoit que de nombreux universitaires creusaient la question depuis quelques années déjà et que des résultats concrets et étonnants sont obtenus.

Le plus étonnant c’est que les uns fabriquent des « trous  dans l’espace » (pour y camoufler les objets) les autres des « trous dans le temps » (pour y camoufler des « évènements » !).

De quoi s’agit-t-il ?

Les trous dans l’espace 

L’idée est ici de faire comme ce qui se passe lorsque l’eau s’écoule autour d’un obstacle. Elle fait quelques turbulences en le contournant et reprend rapidement son cours normal : celui qui observe le courant, redevenu normal, en aval de l’obstacle ne peut pas savoir qu’il y a eu un obstacle et donc « ne le voit pas »…

De la même façon que l’eau ci-dessus, on sait (depuis Descartes) que les rayons lumineux sont déviés dès qu'ils passent d'un milieu à un autre dont l'indice de réfraction est diffèrent.

Partant de ce constat, les équipes de recherche dirigées par Ulf Leonhardt (université de St Andrews, Ecosse) et de John Pendry (Imperial College, Londres) ont montré que, en théorie, des méta-matériaux pourraient faire « couler » la lumière autour d'un objet donné, et être utilisés pour construire des boucliers d'invisibilité.

En France Didier Lippens, à l’Institut d’Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie de Lille avec deux de ses étudiants, Davy Gaillot et Charles Croënne, a cosigné un article paru début 2008 dans Optics Express, sur la fabrication d’une « cape d’invisibilité », capable de rendre transparent tout ce qui se trouve à l’intérieur. Car sur le papier et dans leurs simulations informatiques, rien n’apparait impossible. Il « suffirait » de faire varier graduellement « l’indice de réfraction » dans la cape. En jouant sur cet indice à l’intérieur du matériau de la cape, on pourrait donc espérer forcer la lumière à «tourner» par petites touches jusqu’à suivre la courbe voulue.  Mais que sont ces « métamatériaux » ? 

20120419 capes invisibilite bm img1

Ce sont des matériaux artificiels qui ont la fabuleuse propriété, bien qu’ils ne soient pas magnétiques, d’avoir une réponse magnétique et des indices de réfraction bizarres, voire même négatifs. Plus précisément, on a imaginé placer dans ces matériaux de minuscules ingrédients selon des motifs périodiques adaptés au comportement optique recherché. Ces inclusions nanométriques, par la grâce des lois physiques à cette échelle, fabriquent des propriétés magnétiques aptes à dévier au fur et à mesure les rayons lumineux.  

Depuis l’université Saint-Andrews, en Écosse, Andrea Di Falco et ses collègues nous présentent aujourd’hui le Métaflex : un tissu en métamatériau flexible, premier du genre semble-t-il.

Épaisse de 4 micromètres seulement, cette membrane est transparente, enfin presque… Elle retient en effet un peu de lumière visible, quelque part du côté de l’orange et du rouge, comme le montre les courbes d’atténuation ci-dessous.

20120419 capes invisibilite bm img2 Résultats obtenus avec une membrane gravée d'un motif en filet, assurant une double polarisation (photographie (b) de droite les mailles mesurent environ 1 micromètre). À gauche (a), l'atténuation observée (la zone grisée) et le calcul théorique (la courbe noire). L'effet est bien obtenu dans le visible, à une longueur d’onde entre 600 et 700 nanomètres. © A. Di Falco et al. / New Journal of PhysicsIci l’invisibilité, mise en avant par les communiqués, n’a pas été recherchée et encore moins obtenue : la lumière traverse seulement la membrane et est atténuée à certaines longueurs d'onde. Mais l’expérience démontre que les propriétés d’un métamatériau à l’échelle atomique sont exploitables sur un support souple et cela change tout !

Les auteurs expliquent que ces membranes, très fines, pourraient être superposées, de manière à cumuler différents effets, par exemple camoufler différentes longueurs d’onde.

« Ces métamatériaux sont capables de dévier et d’accélérer la lumière, explique Didier Lippens, Résultat : la lumière contourne l’objet et se retrouve à l’arrière, exactement là où elle aurait dû être si elle était allée en ligne droite. L’objet contenu par la coque devient alors invisible. »

Résultats obtenus avec une membrane gravée d'un motif en filet, assurant une double polarisation (photographie (b) de droite les mailles mesurent environ 1 micromètre). À gauche (a), l'atténuation observée (la zone grisée) et le calcul théorique (la courbe noire). L'effet est bien obtenu dans le visible, à une longueur d’onde entre 600 et 700 nanomètres. © A. Di Falco et al. / New Journal of Physics

Les métamatériaux n’en sont qu’à leur début. Leurs propriétés, bien souvent « non naturelles » ouvriront un vaste champ d’applications futures, et la cape d’invisibilité verra sans doute le jour.

Mais mieux encore est de constater que cette nouvelle physique peut aussi être mise en œuvre à notre échelle courante. Ainsi les travaux évoqués ci dessus conduisent aujourd’hui à imaginer des dispositifs « anti-tsunami » en mettant à profit les similitudes entre les équations décrivant la propagation des ondes lumineuses et celles décrivant la propagation des ondes  dans les fluides ou dans la croute terrestre.

Si l’on s’y prend bien, estiment les physiciens, il doit être possible de protéger des villes des catastrophes naturelles en les entourant de dispositifs, reproduisant à l’échelle ad hoc ces structures périodiques (des « mégamatériaux » dirons-nous), et qui rendraient ces villes  « en quelque sorte invisibles » aux ondes sismiques des tremblements de terre ainsi qu'aux ondes en milieu liquide des tsunamis… ! Des essais à échelle réduite en bassin ont déjà confirmé ces espoirs.

Les trous dans le temps

Alors que de nombreuses équipes scientifiques rivalisent dans le monde pour tenter de rendre des objets indétectables dans l’espace, les chercheurs américains de l'université de Cornell de New York ont annoncé début janvier 2012 avoir mis au point un système de nature à dissimuler un évènement « dans le temps », pendant une toute petite fraction de seconde, et ne laissant aucune trace dans le futur.

L’espace et le temps étant liés, ces physiciens avaient suggéré dés 2011 qu’il devrait être possible de créer une cape d’invisibilité non pas spatiale mais temporelle. C’est cette prédiction qu’ils viennent de vérifier expérimentalement en créant un dispositif permettant de faire disparaître un événement d’une durée, ridiculement faible il est vrai, inférieure à 50 picosecondes (M. Fridman et al. Nature, 5 janvier 2012).

L’équipe, dirigée par Moti Fridman (et financée par le Pentagone), a utilisé les propriétés du spectre lumineux, et notamment la différence de vitesse entre les différentes couleurs qui le composent.

Selon les résultats de leurs travaux publiés dans la revue Nature, l'expérience menée en leur laboratoire a consisté à créer une sorte de « trou temporel » permettant de faire circuler, ni vue ni connue, une décharge laser dans un câble en fibre optique traversé par un rayon lumineux.

20120419 capes invisibilite bm img3Pour ce faire, ils ont envoyé une onde lumineuse au travers d’une « lentille temporelle » capable de découper la lumière et faire fluctuer sa couleur au cours du temps. Le spectre de lumière ainsi engendré passe ensuite dans un milieu dispersif qui accélère certaines couleurs lumineuses ou en ralentit d’autres. À la sortie un dispositif inverse reconstitue la lumière initiale.  En ralentissant les lumières les plus lentes et en accélérant les plus rapides, les chercheurs ont obtenu « un trou de 50 picosecondes » (50.10-12 secondes) dans l’information lumineuse. De quoi rendre invisible tout événement qui se serait déroulé dans cet intervalle de temps. Ce qu’ils vérifient en observant la disparition (pendant 50 picosecondes) d’un signal laser introduit dans la fibre. Le signal apparait ou disparait selon que les lentilles fonctionnent ou non !

Pour ce faire, ils ont envoyé une onde lumineuse au travers d’une « lentille temporelle » capable de découper la lumière et faire fluctuer sa couleur au cours du temps. Le spectre de lumière ainsi engendré passe ensuite dans un milieu dispersif qui accélère certaines couleurs lumineuses ou en ralentit d’autres. À la sortie un dispositif inverse reconstitue la lumière initiale.  En ralentissant les lumières les plus lentes et en accélérant les plus rapides, les chercheurs ont obtenu « un trou de 50 picosecondes » (50. 10-12 secondes) dans l’information lumineuse. De quoi rendre invisible tout événement qui se serait déroulé dans cet intervalle de temps. Ce qu’ils vérifient en observant la disparition (pendant 50 picosecondes) d’un signal laser introduit dans la fibre. Le signal apparait ou disparait selon que les lentilles fonctionnent ou non !

Difficile à comprendre, mais l’expérience peut être illustrée par l’image d’un flot régulier de voitures interrompu par un passage à niveau. Certaines sont passées, d’autres restent arrêtées. Mais lorsque la barrière se relève les véhicules arrêtés rattrapent ceux déjà passés et le flot redevient ce qu’il était avant l’évènement. « Tout se passe comme si l’évènement passage à niveau avait disparu »… C’est l’analogie « dans le temps » de notre écoulement d’eau « dans l’espace » de tout à l’heure.

D’après les chercheurs, en améliorant le système, il devrait être possible de créer des « capes d’invisibilité temporelles » de quelques millisecondes, soit un milliard de fois plus longtemps.

C’est encore bien court, mais en attendant, ce principe est en cours d’application par le Département Of Défense (DOD) pour sécuriser la transmission de données sensibles, en les faisant disparaitre au départ de l’expéditeur et en les reconstituant chez le destinataire, sachant que sur le trajet entre les deux elles sont « invisibles », donc non « interceptables » ! Fini la surveillance des échanges sur le Web !!

Conclusion 

Que l’on vise à faire des trous dans l’espace ou dans le temps, on est loin des durées d’invisibilité nécessaires au jeune Harry pour échapper aux méchants sorciers. Ces sujets sont effectivement plus ardus pour l’homme de laboratoire que pour le romancier.

Mais qui aurait cru ou imaginé, il y a seulement 10 ou 15 ans, que ce qui n’était que rêve ou imagination deviendrait sujet à recherches sérieuses, donc onéreuses, et pourrait conduire à réalisations concrètes, voire commerciales ?

Tout comme pour nos têtes nucléaires, on a ici la preuve qu’il suffit de s’y mettre pour que tout devienne possible, avec du temps et de la volonté.