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the woman hides holding a mirror in front of her face; introspection path concept
π Science et technologies

Invisibilité : nous ne sommes plus très loin du but

Kim Pham
Kim Pham
professeur associé en mécanique à l’ENSTA Paris (IP Paris)
En bref
  • Dans leur quête de l’invisibilité, des chercheurs ont développé les métamatériaux.
  • Ce sont des objets aux multiples détails microscopiques capables de dévier une onde de sa trajectoire, l’empêchant ainsi de se refléter sur un objet ciblé.
  • Le concept d’invisibilité s’applique à n’importe quel type d’onde, rendre un objet invisible vis-à-vis d’une onde permettrait de le protéger de ses différents effets.
  • Cela permet à ce concept de nombreuses applications concrètes  : rendre un sous-marin invisible au sonar, protéger les ports des vagues de mer, développer une ville anti-séismes et, pourquoi pas, permettre à une personne de devenir invisible.

Théorique­ment, si un objet ne réflé­chit pas une onde, alors il est invis­i­ble vis-à-vis de celle-ci. Et cela avec n’importe quels types d’ondes, qu’elles soient élec­tro­mag­né­tiques — comme la lumière vis­i­ble, par exem­ple — acous­tiques ou encore sis­miques. Cepen­dant, dans la pra­tique, de nom­breux défis tech­niques demeurent, ce qui nous empêche encore d’atteindre l’invisibilité.  

Dans leur quête de l’invisibilité, à défaut de la magie du monde d’Harry Pot­ter, des chercheurs ont usé de leurs con­nais­sances en physique pour dévelop­per les méta­matéri­aux. Ce sont des struc­tures dont les mul­ti­ples détails sont façon­nés sur mesure par l’utilisateur, à une échelle micro­scopique. La mul­ti­tude de ces détails a pour effet d’emprisonner une onde cible pas­sant au tra­vers, pour la faire, soit réson­ner jusqu’à ce qu’elle épuise toute son énergie, soit dévi­er pour éviter qu’elle réfléchisse sur l’objet ciblé, le ren­dant ain­si invis­i­ble. Kim Pham, enseignant-chercheur de l’Unité de mécanique de l’ENSTA Paris tra­vaille sur ce sujet, qui ouvre la voie à des appli­ca­tions diverses.

#1 Les ondes acoustiques :

Devenir invisible au sonar

Grâce aux baleines et leur tech­nique de chas­se, la nature nous a mis sur une piste intéres­sante. Pour chas­s­er, ce cétacé géant libère un mur de bulles à l’intérieur duquel, il se met à crier. Ce mur de bulles per­met aux ondes acous­tiques de réson­ner en son sein, et de son­ner tout être vivant piégé dedans. Alors que si l’on reste à l’extérieur, le cri ne sera pas per­cep­ti­ble. Ce principe est expliqué par la réso­nance de Min­naert, et l’effet du con­traste de masse volu­mique entre l’air et l’eau. Une bulle micro­scopique peut faire réson­ner une longueur d’onde cent fois plus grande qu’elle-même. L’intérêt est égale­ment dans la mul­ti­tude de ces bulles, ren­dant ce mur assez sim­i­laire aux méta­matéri­aux. Ce qui valide donc la pos­si­bil­ité de con­trôler les ondes acous­tiques par le con­cept d’invisibilité.

Les Alle­mands, durant la Sec­onde Guerre mon­di­ale, avaient déjà dévelop­pé une tech­nique de défense assez sim­i­laire pour leurs sous-marins en tapis­sant leur sur­face externe de tuiles ané­choïques. Kim Pham tra­vaille, par exem­ple, sur ces tuiles afin de mieux en com­pren­dre la logique math­é­ma­tique et d’en amélior­er les effets. Com­posées de mul­ti­ples cav­ités, elles per­me­t­tent au sous-marin d’être indé­tectable aux ondes envoyées par les sonars, à con­di­tion que ces cav­ités soient ajustées à la bonne fréquence.

Pho­to de Jonathan Coop­er (Unsplash)

#2 Les ondulations maritimes :

Protéger les ports des vagues

Une autre appli­ca­tion utile est la pro­tec­tion des ports des mou­ve­ments ondu­la­toires de la mer, notam­ment de la houle. L’objectif : calmer la sur­face mar­itime du port. Cette tech­nique existe déjà, par l’utilisation de gros blocs de béton, mais ne répond plus aux attentes écologiques actuelles. Pour y remédi­er, Kim Pham et son équipe pro­posent une cein­ture de réson­nance flot­tante1, qui entour­era le port à pro­téger. Elle est com­posée, pour le moment, de plaques de plex­i­glas, l’important étant que celles-ci soient étanch­es. Ce pro­to­type se lim­ite cepen­dant aux expéri­ences en lab­o­ra­toire, le choix du matéri­au n’est donc pas encore déter­mi­nant. L’idée restant d’aller à terme vers des struc­tures flot­tantes, légères et résis­tantes. À l’intérieur de cette cein­ture se trou­ve une petite cav­ité qui lais­sera pass­er les ondes de cette houle. Une fois les ondes empris­on­nées dans la cein­ture, elles réson­neront en son sein jusqu’à leur épuisement.

En haut : la cein­ture de réso­nance avec une cav­ité. La houle ne passe pas au tra­vers de la cein­ture.
En bas : la cav­ité de la cein­ture a été fer­mée. La cein­ture flot­tante est donc juste un obsta­cle non-réson­nant et la houle peut la tra­vers­er sans soucis. (Vidéo : Léo-Paul Euvé)

L’innovation se trou­ve donc dans l’aspect de légèreté du mécan­isme, mais égale­ment dans sa facil­ité à l’installer et à le déplac­er. De tels con­cepts pour­ront être util­isés à grande échelle, et, pourquoi pas, pro­téger d’ondes mar­itimes plus vio­lentes tels que les tsunamis.

#3 Les ondes sismiques :

Rediriger les tremblements dans le sol

Le con­cept d’invisibilité est égale­ment applic­a­ble aux ondes sis­miques. Les deux grands types d’ondes sis­miques sont les ondes de sur­face et les ondes de vol­umes. Le pre­mier type, les ondes de sur­face, se propage à la sur­face de la Terre et peut causer de sérieux dégâts. Le sec­ond, ondes de vol­ume, se propage dans un espace sous-ter­rain, son impact à la sur­face est donc lim­ité, car plus éloigné de celle-ci. L’équipe de Kim Pham a décou­vert que, si de nom­breuses con­di­tions sont respec­tées, les arbres d’une forêt peu­vent agir sur des ondes de sur­face (dites de Love) en les trans­for­mant en ondes de vol­ume, et donc en les envoy­ant vers le sol pour en réduire les dégâts2. Cela utilise les mêmes principes que ceux des méta­matéri­aux, c’est la mul­ti­tude des arbres de la forêt qui per­met un con­trôle et une dévi­a­tion de l’onde. On par­le ain­si de métaforêts, dont la con­di­tion pri­maire pour fonc­tion­ner est la diminu­tion pro­gres­sive de la hau­teur de chaque arbre ren­con­tré sur le chemin de l’onde de surface.

Représen­ta­tion 2D d’une « métaforêt » redirigeant une onde de sur­face vers le sol, la trans­for­mant ain­si en onde de volume.

Plus cette onde tra­verse la forêt, plus elle sera redirigée vers le sol, au point de plonger dans les pro­fondeurs ter­restres, et donc de devenir une onde de vol­ume. Ce type de décou­verte nous per­met d’imaginer énor­mé­ment d’applications utiles, notam­ment l’élaboration des villes du futur, respec­tant les principes de ces métaforêts3 dans leur con­struc­tion d’immeubles. Ain­si, une ville anti-séisme pour­rait voir le jour, et ressem­bler au pro­to­type de la cape d’invisibilité de Sébastien Guen­neau, chercheur à l’Institut Fres­nel (CNRS)4.

#4 Les rayons lumineux :

Rendre un objet invisible

La lumière vis­i­ble étant com­posée d’ondes élec­tro­mag­né­tiques, ce con­cept pour­rait, théorique­ment, ren­dre invis­i­ble à l’œil nu n’importe quel objet. On perçoit un objet vis­i­ble par les réflex­ions de lumière qu’il pro­jette. C’est par ailleurs la rai­son pour laque­lle nous ne voyons rien dans le noir. Si l’on parvient à dévi­er les ondes lumineuses, et donc à les empêch­er de se refléter sur l’objet en ques­tion, alors il sera invis­i­ble. En par­tant de ce principe, le chercheur John Pendry a réus­si à dévelop­per un pro­to­type de cape d’invisibilité (cette fois-ci visuelle)5, ce qui lui a valu la médaille Isaac New­ton de l’Institute of Physics du Roy­aume-Uni en 2013.

Représen­ta­tion d’une cape élec­tro­mag­né­tique6 qui détourn­era les rayons lumineux, les empêchant ain­si de refléter sur l’objet (ou le sujet) posi­tion­né au milieu.

Cepen­dant le spec­tre de ces ondes vis­i­bles est com­pris entre 380 et 780 nanomètres (nm). Le défi tech­nique repose donc autant dans l’échelle micro­scopique de la cav­ité du méta­matéri­au util­isé à cet effet, qui doit être plus petite que l’onde visée, à savoir quelques cen­taines de nanomètres, que dans la diver­sité des couleurs, cha­cune ayant une longueur d’onde spé­ci­fique — allant, par exem­ple, de 780 à 622 nm pour le rouge et de 455 à 390 nm pour le vio­let. Or un objet réel est rarement mono­chrome, pour le ren­dre invis­i­ble, un méta­matéri­au aux cav­ités divers­es, spé­ci­fique à la longueur d’onde de cha­cune des couleurs ciblées, devrait être conçu.

Cela retarde la con­cep­tion de ce type d’objet, ne sig­nifi­ant pas pour autant une infais­abil­ité. Ce phénomène a par ailleurs été mod­élisé par des logi­ciels, et cer­tains pro­to­types ont déjà vu le jour. Ren­dre invis­i­ble un objet est donc loin d’être irréalisable !

Propos recueillis par Pablo Andres

1Euvé, L.-P. ; Pies­niews­ka, N. ; Mau­rel, A. ; Pham, K. ; Petit­jeans, P. ; Pag­neux, V. Con­trol of the
Swell by an Array of Helmholtz Res­onators. Crys­tals 2021, 11, 520. DOI:
https://​doi​.org/​1​0​.​3​3​9​0​/​c​r​y​s​t​1​1​0​50520
2Mau­rel, A.; Mari­go, J.-J.; Pham, K.; Guen­neau, S. Con­ver­sion of Love waves in a for­est of trees. Phys. Rev. B 98, 134 311 — Pub­lished 26 Octo­ber 2018 DOI: 10.1103/PhysRevB.98.134311
3The META-FORET project : https://​metaforet​.osug​.fr/
4Boris Gralak, Sébastien Guen­neau. Invis­i­bil­ité et trans­parence. Sig­i­la. Revue trans­dis­ci­plinaire fran­co-por­tu­gaise sur le secret, Gris-France, 2020. ffhal-03087320f https://​hal​.archives​-ouvertes​.fr/​h​a​l​-​0​3​0​87320
5Meta­ma­te­ri­als and the Sci­ence of Invis­i­bil­i­ty: New­ton Lec­ture 2013 ; https://​www​.youtube​.com/​w​a​t​c​h​?​v​=​2​Y​2​r​o​W​8Lv0g
6Tsak­makidis, Kos­mas & Hess, Ortwin. (2008). Optics – Watch your back. Nature. 451. 27. 10.1038/451 027 a

Auteurs

Kim Pham

Kim Pham

professeur associé en mécanique à l’ENSTA Paris (IP Paris)

Ancien élève de l’école normale supérieure de Paris-Saclay (2004), Kim Pham a réalisé une thèse pour son doctorat en Mécanique des solides à l’Université Paris-Sorbonne (2010). De 2012 à 2021, il a été maître de conférences à l’ENSTA Paris (IMSIA/Unité de Mécanique). Il est ensuite habilité à diriger des recherches de l’Institut Polytechnique de Paris en 2021 et devient, la même année, professeur associé à l’ENSTA Paris (IMSIA/Unité de Mécanique). Son domaine de recherche principal est la modélisation de la propagation des ondes dans les métamatériaux ainsi que dans les métasurfaces. Il compte actuellement 21 publications à ce sujet et reçoit le prix Jean Mandel 2021 pour ses avancées sur le comportement effectif de métasurfaces résonnantes.