Dans Star Trek IV: The Voyage Home, l'équipage de l'Enterprise capture un croiseur de combat klingon. Contrairement aux vaisseaux de la Fédération Starfleet, les vaisseaux de l'Empire Klingon sont équipés d'un "dispositif de camouflage" secret qui peut les rendre invisibles aux yeux et au radar. Cet appareil permet aux navires klingons de passer inaperçus à la queue des navires de la Fédération et de frapper en toute impunité. Grâce au dispositif de camouflage, l'Empire Klingon a un avantage stratégique sur la Fédération des Planètes.
Un tel dispositif est-il réellement possible? L'invisibilité est depuis longtemps devenue l'une des merveilles habituelles des œuvres de science-fiction et de fantaisie - de "The Invisible Man" à la cape d'invisibilité magique de Harry Potter ou la bague de "Le Seigneur des Anneaux". Néanmoins, depuis au moins cent ans, les physiciens ont unanimement nié la possibilité de créer des capes d'invisibilité et ont déclaré sans équivoque que cela est impossible: les capes, disent-ils, violent les lois de l'optique et ne sont d'accord avec aucune des propriétés connues de la matière.
Mais aujourd'hui, l'impossible peut devenir possible. Les progrès dans le domaine des «métamatériaux» obligent à une révision importante des manuels d'optique. Des échantillons de travail de ces matériaux créés en laboratoire sont d'un grand intérêt pour les médias, les industriels et les militaires; tout le monde s'intéresse à la manière de rendre le visible invisible.
Invisibilité dans l'histoire
L'invisibilité est peut-être l'un des concepts les plus anciens de la mythologie antique. Depuis la nuit des temps, un homme, laissé seul dans le silence effrayant de la nuit, sentait la présence d'êtres invisibles et avait peur d'eux. Tout autour de lui, dans les ténèbres, se cachaient les esprits des morts - les âmes de ceux qui l'avaient précédé. Le héros grec Persée, armé d'un casque invisible, a réussi à tuer la méchante gorgone Méduse. Les généraux de tous les temps rêvaient d'un dispositif de camouflage qui leur permettrait de devenir invisibles pour l'ennemi. En utilisant l'invisibilité, on pouvait facilement pénétrer la ligne de défense de l'ennemi et le prendre par surprise. Les criminels pourraient utiliser l'invisibilité pour commettre des vols audacieux.
Dans la théorie de l'éthique et de la morale de Platon, l'invisibilité a joué un rôle majeur. Dans son ouvrage philosophique «L'État», Platon nous a raconté le mythe de l'anneau Giga. Dans ce mythe, le pauvre mais honnête berger Gigus de Lydie entre dans une grotte secrète et y trouve une tombe; il voit une bague en or au doigt du cadavre. Gig découvre en outre que l'anneau a des pouvoirs magiques et peut le rendre invisible. Le pauvre berger est littéralement ivre du pouvoir que la bague lui a donné. Après avoir pénétré dans le palais royal, Gigus séduit la reine avec une bague, puis avec son aide, il tue le roi et devient le prochain roi de Lydia.
La morale que Platon a déduite de cette histoire est que personne ne peut résister à la tentation de prendre celui d'autrui et de tuer en toute impunité. Les gens sont faibles et la moralité est un phénomène social qui doit être implanté et soutenu de l'extérieur. En public, une personne peut observer des normes morales afin de paraître décente et honnête et de maintenir sa propre réputation, mais une fois que vous lui aurez donné l'opportunité de devenir invisible, elle ne pourra plus résister et utilisera certainement son nouveau pouvoir. (Certains pensent que cette parabole morale a inspiré JRR Tolkien à créer la trilogie Le Seigneur des Anneaux; la bague qui rend son propriétaire invisible est également une source de mal.)
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Dans la science-fiction, l'invisibilité est l'un des moteurs de l'intrigue les plus courants. Dans la série de bandes dessinées des années 1930. "Flash Gordon" Flash devient invisible pour se cacher du peloton d'exécution du méchant Ming l'impitoyable. Dans les romans et les films sur Harry Potter, le personnage principal, revêtant une cape magique, peut se promener inaperçu dans le château de Poudlard.
H. G. Wells, dans le roman classique The Invisible Man, a incarné à peu près les mêmes idées sous une forme concrète. Dans ce roman, un étudiant en médecine découvre accidentellement les possibilités de la quatrième dimension et devient invisible. Malheureusement, il utilise les opportunités fantastiques obtenues à des fins personnelles, commet toute une série de petits crimes et finit par mourir dans une tentative désespérée d'échapper à la police.
Les équations de Maxwell et le mystère de la lumière
Les physiciens ont acquis une compréhension claire des lois de l'optique relativement récemment grâce aux travaux de l'écossais James Clerk Maxwell, l'un des géants de la physique au 19e siècle. En un sens, Maxwell était tout le contraire de Faraday. Si Faraday avait un excellent sens de l'expérimentateur, mais n'avait aucune éducation formelle, alors son contemporain Maxwell était un maître de mathématiques supérieures. Il a complété sa formation en physique mathématique avec mention à Cambridge, où Isaac Newton a travaillé deux siècles avant lui.
Newton a inventé le calcul différentiel - il décrit dans le langage des équations différentielles comment les objets subissent continuellement des changements infiniment petits dans le temps et dans l'espace. Le mouvement des vagues océaniques, des liquides, des gaz et des boulets de canon peut tous être décrits en termes d'équations différentielles. Maxwell a commencé à travailler avec un objectif clair en tête: exprimer les découvertes révolutionnaires de Faraday et ses champs physiques en utilisant des équations différentielles précises.
Maxwell a commencé avec l'affirmation de Faraday selon laquelle les champs électriques peuvent se transformer en champ magnétique et vice versa. Il a pris des photos de champs physiques dessinés par Faraday et les a écrites dans le langage exact des équations différentielles. En conséquence, l'un des systèmes d'équations les plus importants de la science moderne a été obtenu. Il s'agit d'un système de huit équations différentielles d'un genre plutôt effrayant. Chaque physicien et ingénieur du monde a dû transpirer dessus à un moment donné, maîtrisant l'électromagnétisme à l'institut.
Puis Maxwell s'est posé une question fatidique: si un champ magnétique peut se transformer en champ électrique et vice versa, que se passe-t-il s'il passe constamment de l'un à l'autre dans une série interminable de transformations? Maxwell a découvert qu'un tel champ électromagnétique générerait une onde semblable à l'océan. Il calcula la vitesse de déplacement de telles vagues et, à son grand étonnement, trouva qu'elle était égale à la vitesse de la lumière! En 1864, ayant découvert ce fait, il écrivit prophétiquement: "Cette vitesse est si proche de la vitesse de la lumière que nous semblons avoir toutes les raisons de conclure que la lumière elle-même … est une perturbation électromagnétique."
Cette découverte est peut-être devenue l'une des plus grandes de l'histoire de l'humanité - le secret de la lumière a finalement été révélé! Maxwell s'est soudainement rendu compte que tout - la lueur du lever du soleil d'été, et les rayons furieux du soleil couchant, et les couleurs éblouissantes de l'arc-en-ciel et des étoiles dans le ciel nocturne - peut être décrit à l'aide de vagues, qu'il dépeint avec désinvolture sur un morceau de papier. Aujourd'hui, on comprend que tout le spectre électromagnétique: les signaux radar, le rayonnement micro-ondes et les ondes de télévision, la lumière infrarouge, visible et ultraviolette, les rayons X et gamma ne sont rien de plus que de l'eau maxwellienne; et ceux-ci, à leur tour, représentent les vibrations des champs physiques de Faraday.
Parlant de la signification des équations de Maxwell, Einstein a écrit que c'est «la chose la plus profonde et la plus fructueuse que la physique ait connue depuis l'époque de Newton».
(Tragiquement, Maxwell, l'un des plus grands physiciens du 19e siècle, est mort assez jeune, à l'âge de 48 ans, d'un cancer de l'estomac - probablement la même maladie qui a tué sa mère à cet âge. S'il a vécu plus longtemps, il a peut-être réussi découvrirait que ses équations permettaient de déformer l'espace-temps, conduisant directement à la théorie de la relativité d'Einstein L'idée que si Maxwell avait vécu plus longtemps et que la théorie de la relativité aurait pu émerger pendant la guerre civile américaine est choquante au fond.)
La théorie de la lumière de Maxwell et la théorie atomique de la structure de la matière donnent à l'optique et à l'invisibilité une explication simple. Dans un solide, les atomes sont étroitement emballés, tandis que dans un liquide ou un gaz, la distance entre les molécules est beaucoup plus grande. La plupart des solides sont opaques, car les rayons lumineux ne peuvent pas traverser un réseau dense d'atomes, qui agit comme un mur de briques. De nombreux liquides et gaz, par contre, sont transparents, car il est plus facile pour la lumière de passer entre des atomes rares, dont la distance est supérieure à la longueur d'onde de la lumière visible. Par exemple, l'eau, l'alcool, l'ammoniac, l'acétone, le peroxyde d'hydrogène, l'essence et d'autres liquides sont transparents, tout comme le sont transparents et les gaz tels que l'oxygène, l'hydrogène, l'azote, le dioxyde de carbone, le méthane, etc.
Il existe plusieurs exceptions importantes à cette règle. De nombreux cristaux sont à la fois solides et transparents. Mais les atomes du cristal sont situés aux emplacements d'un réseau spatial régulier et forment des rangées régulières avec des intervalles égaux entre eux. En conséquence, il y a toujours de nombreux chemins dans le réseau cristallin le long desquels un rayon de lumière peut le traverser. Par conséquent, bien que les atomes d'un cristal ne soient pas emballés moins densément que dans tout autre solide, la lumière est toujours capable de le pénétrer.
Dans certaines circonstances, même un objet solide avec des atomes espacés de manière aléatoire peut devenir transparent. Pour certains matériaux, cet effet peut être obtenu en chauffant l'objet à une température élevée puis en le refroidissant rapidement. Par exemple, le verre est un solide qui, en raison de la disposition aléatoire des atomes, possède de nombreuses propriétés d'un liquide. Certains bonbons peuvent également être rendus transparents de cette manière.
De toute évidence, la propriété d'invisibilité survient au niveau atomique, selon les équations de Maxwell, et il est donc extrêmement difficile, voire impossible, de la reproduire en utilisant des méthodes conventionnelles. Pour rendre Harry Potter invisible, il devra être liquidé, bouilli et transformé en vapeur, cristallisé, chauffé et refroidi - vous devez en convenir, aucune de ces actions serait très difficile même pour un sorcier.
Les militaires, incapables de construire des avions invisibles, ont essayé de faire une chose plus simple: ils ont créé la technologie de la stèle, qui rend les avions invisibles aux radars. La technologie Stele, basée sur les équations de Maxwell, effectue une série de tours. Le chasseur à réaction stèle est facile à voir à l'œil nu, mais sur l'écran radar de l'ennemi, son image est à peu près de la taille d'un grand oiseau. (En fait, la technologie des stèles est une combinaison de plusieurs astuces complètement différentes. Chaque fois que cela est possible, les matériaux de construction du chasseur sont remplacés par des matériaux transparents au radar: au lieu de l'acier, divers plastiques et résines sont utilisés; les angles du fuselage changent; la conception des buses du moteur, etc. toutes ces astuces peuvent être faites par le rayon radar de l'ennemi frappant l'avion,dispersez dans toutes les directions et ne retournez pas à l'appareil récepteur. Mais même avec cette technologie, le combattant ne devient pas complètement invisible; il dévie et disperse le faisceau radar autant que techniquement possible.)
Métamatériaux et invisibilité
Peut-être le plus prometteur des progrès récents en matière d'invisibilité est un nouveau matériau exotique connu sous le nom de "métamatériau"; il est possible qu'un jour il rende les objets réellement invisibles. C'est drôle, mais autrefois l'existence des métamatériaux était également considérée comme impossible, car ils enfreignent les lois de l'optique. Mais en 2006, des chercheurs de l'Université Duke de Durham, en Caroline du Nord et de l'Imperial College de Londres, ont réfuté avec succès cette sagesse conventionnelle et rendu l'objet invisible au rayonnement micro-ondes à l'aide de métamatériaux. Il y a encore assez d'obstacles sur ce chemin, mais pour la première fois dans l'histoire, l'humanité a une technique qui permet de rendre invisibles les objets ordinaires. (Cette recherche a été financée par la DARPA, la Defense Advanced Research Projects Agency.)
Nathan Myhrvold, ancien technologue en chef chez Microsoft, soutient que la puissance révolutionnaire des métamatériaux "va complètement changer la façon dont nous abordons l'optique et presque tous les aspects de l'électronique … Certains métamatériaux sont capables d'exploits qui auraient semblé être des miracles il y a des décennies."
Que sont les métamatériaux? Ce sont des substances aux propriétés optiques qui n'existent pas dans la nature. Lorsque des métamatériaux sont créés, de minuscules implants sont incrustés dans la matière, forçant les ondes électromagnétiques à emprunter des chemins non standard. À l'Université Duke, les scientifiques ont inséré de nombreux minuscules circuits électriques dans des bandes de cuivre disposées en cercles concentriques plats (un peu comme une plaque chauffante). Le résultat est une structure complexe composée de céramique, de téflon, de fibres composites et de composants métalliques. De minuscules implants présents dans le cuivre permettent de dévier le rayonnement micro-onde et de le diriger le long d'un trajet prédéterminé. Imaginez une rivière qui coule autour d'un rocher. L'eau tourne autour de la pierre très rapidementpar conséquent, sa présence en aval n'affecte en rien et il est impossible de le révéler. De même, les métamatériaux sont capables de modifier continuellement l'itinéraire des micro-ondes afin qu'ils circulent autour, par exemple, d'un certain cylindre et rendent ainsi tout ce qui se trouve à l'intérieur de ce cylindre invisible aux ondes radio. Si le métamatériau peut également éliminer tous les reflets et les ombres, alors l'objet deviendra complètement invisible à cette forme de rayonnement.
Les scientifiques ont démontré avec succès ce principe avec un appareil composé de dix anneaux en fibre de verre recouverts d'éléments en cuivre. L'anneau de cuivre à l'intérieur de l'appareil était presque invisible au rayonnement micro-ondes; il ne jette qu'une faible ombre.
Les propriétés inhabituelles des métamatériaux sont basées sur leur capacité à contrôler un paramètre appelé «indice de réfraction». Réfraction - la propriété de la lumière de changer la direction de propagation lors du passage à travers un matériau transparent. Si vous mettez votre main dans l'eau ou si vous regardez simplement à travers les verres de vos lunettes, vous remarquerez que l'eau et le verre dévient et déforment le trajet des rayons lumineux ordinaires.
La raison de la déviation d'un faisceau lumineux dans le verre ou l'eau est que la lumière ralentit lorsqu'elle pénètre dans un matériau transparent dense. La vitesse de la lumière dans un vide idéal est constante, mais dans le verre ou dans l'eau, la lumière «presse» à travers un amas de milliards d'atomes et donc ralentit. (Le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide à la vitesse de la lumière dans un milieu s'appelle l'indice de réfraction. Puisque la lumière dans n'importe quel milieu ralentit, l'indice de réfraction est toujours supérieur à un.) Par exemple, l'indice de réfraction d'un vide est de 1,00; pour l'air -1 0003; pour le verre-1,5; pour un diamant-2.4. En règle générale, plus le milieu est dense, plus il dévie le faisceau lumineux et, par conséquent, plus l'indice de réfraction est élevé.
Les mirages peuvent servir de démonstration très claire des phénomènes associés à la réfraction. Si vous, conduisant le long de l'autoroute par une journée chaude, regardez droit devant l'horizon, la route vous semblera scintillante par endroits et créera l'illusion d'une surface d'eau scintillante. Dans le désert, on aperçoit parfois les contours de villes lointaines et de montagnes à l'horizon. Cela se produit parce que l'air chauffé au-dessus de la plate-forme ou du sable du désert a une densité plus faible et, par conséquent, un indice de réfraction plus faible que l'air ambiant normal et plus froid; par conséquent, la lumière provenant d'objets éloignés peut être réfractée dans une couche d'air chauffée puis pénétrer dans l'œil; cela vous donne l'illusion que vous voyez vraiment des objets éloignés.
En règle générale, l'indice de réfraction est une valeur constante. Un faisceau de lumière étroit, pénétrant dans le verre, change de direction, puis continue à se déplacer en ligne droite. Mais supposons un instant que nous soyons capables de contrôler l'indice de réfraction pour qu'en chaque point du verre il puisse changer constamment d'une manière donnée, la Lumière, se déplaçant dans un tel nouveau matériau, pourrait changer de direction arbitrairement; le chemin du rayon dans cet environnement serpenterait comme un serpent.
S'il était possible de contrôler l'indice de réfraction dans un métamatériau afin que la lumière se plie autour d'un certain objet, alors cet objet deviendra invisible. Pour obtenir un tel effet, l'indice de réfraction dans un métamatériau doit être négatif, mais tout manuel sur l'optique dit que c'est impossible, (Les métamatériaux ont d'abord été prédits théoriquement dans les travaux du physicien soviétique Viktor Veselago en 1967. C'est Veselago qui a montré que ces matériaux doivent avoir des propriétés optiques aussi inhabituelles que l'indice de réfraction négatif et l'effet Doppler inverse. Les métamatériaux semblent si étranges et même absurdes qu'au début leur mise en œuvre pratique a été jugée tout simplement impossible. Cependant, ces dernières années, des métamatériaux ont été obtenus en laboratoire, ce qui a obligé les physiciens à commencer à réécrire des manuels sur l'optique.)
Les chercheurs qui traitent de méta-matériaux sont constamment agacés par les journalistes avec la question: quand les capes d'invisibilité vont-elles enfin apparaître sur le marché? La réponse peut être formulée très simplement: pas de sitôt.
David Smith de l'Université Duke déclare: «Les journalistes appellent et implorent au moins une date limite. Dans combien de mois ou, disons, d'années cela se produira. Ils presse, presse et presse, et à la fin vous ne pouvez pas le supporter et dire cela peut-être dans quinze ans. Et juste là - un titre de journal, non? Quinze ans avant la cape d'Harry Potter. C'est pourquoi il refuse maintenant de nommer des dates.
Les fans de Harry Potter ou de Star Trek devront probablement attendre. Bien que la véritable cape d'invisibilité ne contredit plus les lois connues de la nature - comme la plupart des physiciens sont désormais d'accord avec cela - il reste encore de nombreux obstacles techniques difficiles à surmonter avant que cette technologie puisse être étendue pour fonctionner avec la lumière visible, et pas seulement avec les micro-ondes. radiation.
Dans le cas général, les dimensions des structures internes noyées dans le métamatériau doivent être inférieures à la longueur d'onde du rayonnement. Par exemple, les micro-ondes peuvent avoir une longueur d'onde de l'ordre de 3 cm, donc si l'on veut que le métamatériau plie le chemin des micro-ondes, il faut y insérer des implants inférieurs à 3 cm, mais pour rendre l'objet invisible à la lumière verte (avec une longueur d'onde de 500 nm), le métamatériau doit avoir des structures intégrées d'une longueur d'environ 50 nm seulement. Mais les nanomètres sont déjà à l'échelle atomique et la nanotechnologie est nécessaire pour travailler avec de telles tailles. (Un nanomètre est un milliardième de mètre. Un nanomètre peut contenir environ cinq atomes.) C'est peut-être le problème clé auquel nous devrons faire face lors de la création d'une véritable cape d'invisibilité. Plier à volonté, comme un serpent, le chemin d'un faisceau lumineux,nous aurions à modifier des atomes individuels dans le métamatériau.
Métamatériaux pour la lumière visible
Alors la course a commencé.
Immédiatement après l'annonce de la réception des premiers métamatériaux au laboratoire, une activité fébrile a commencé dans ce domaine. Tous les quelques mois, nous entendons parler d'idées révolutionnaires et de percées surprenantes. L'objectif est clair: créer des métamatériaux à l'aide de nanotechnologies capables de plier non seulement les micro-ondes, mais aussi la lumière visible. Plusieurs approches ont déjà été proposées, et toutes semblent très prometteuses.
L'une des propositions est d'utiliser des méthodes toutes faites, c'est-à-dire d'emprunter les technologies utilisées de l'industrie microélectronique pour la production de métamatériaux. Par exemple, la miniaturisation des ordinateurs est basée sur la technologie de la "photolithographie"; c'est aussi le moteur de la révolution informatique. Cette technologie permet aux ingénieurs de placer des centaines de millions de minuscules transistors sur une tranche de silicium de la taille d'une vignette.
La puissance des ordinateurs double tous les 18 mois (ce modèle est appelé loi de Moore). Cela est dû au fait que les scientifiques, à l'aide du rayonnement ultraviolet, "gravent" de plus en plus de composants minuscules sur des puces de silicium. Cette technologie est très similaire au processus par lequel un motif est gravé au pochoir sur un T-shirt coloré. (Les ingénieurs en informatique commencent avec un substrat mince, sur lequel les couches les plus fines de divers matériaux sont superposées. Ensuite, le substrat est recouvert d'un masque en plastique qui sert de modèle. Le motif complexe de conducteurs, de transistors et de composants informatiques qui forment la base du schéma de circuit est pré-appliqué sur le masque. La pièce est irradiée avec une lumière UV dure, c'est-à-dire exposé à un rayonnement ultraviolet avec une longueur d'onde très courte;ce rayonnement, en quelque sorte, transfère le motif de la matrice sur un substrat photosensible. Ensuite, la pièce est traitée avec des gaz et des acides spéciaux, et le motif complexe de la matrice est gravé sur le substrat aux endroits où il a été exposé aux rayons ultraviolets. Le résultat de ce processus est une plaque avec des centaines de millions de minuscules indentations qui forment les circuits des transistors.) Actuellement, les plus petits composants qui peuvent être créés en utilisant le processus décrit sont d'environ 30 nm (ou environ 150 atomes). Le résultat de ce processus est une plaque avec des centaines de millions de minuscules indentations qui forment les circuits des transistors.) Actuellement, les plus petits composants qui peuvent être créés en utilisant le processus décrit sont d'environ 30 nm (ou environ 150 atomes). Le résultat de ce processus est une plaque avec des centaines de millions de minuscules indentations qui forment les circuits des transistors.) Actuellement, les plus petits composants qui peuvent être créés en utilisant le processus décrit sont d'environ 30 nm (ou environ 150 atomes).
Une étape importante sur la voie de l'invisibilité a été une expérience récente menée par un groupe de scientifiques allemands et du département américain de l'énergie, dans laquelle le processus de gravure d'un substrat de silicium a été utilisé pour rendre le premier métamatériau capable de fonctionner dans le domaine visible de la lumière. Début 2007, les scientifiques ont annoncé que le métamatériau qu'ils avaient créé affectait la lumière rouge. L '«impossible» a été mis en œuvre en un temps étonnamment court.
Le physicien Costas Sukulis du laboratoire Ames et de l'Université d'État de l'Iowa, avec Stephan Linden, Martin Wegener et Gunnar Dolling de l'Université de Karlsruhe en Allemagne, ont réussi à créer un métamatériau avec un indice de réfraction de -0,6 pour la lumière rouge avec une longueur d'onde de 780 nm. (Auparavant, le record du monde de la longueur d'onde du rayonnement "enveloppé" d'un métamatériau était de 1400 nm; ce n'est plus visible, mais la lumière infrarouge.)
Pour commencer, les scientifiques ont pris une feuille de verre et y ont appliqué une fine couche d'argent, puis une couche de fluorure de magnésium, puis à nouveau une couche d'argent; ainsi, un "sandwich" avec du fluorure d'une épaisseur de seulement 100 nm a été obtenu. Les scientifiques ont ensuite utilisé la technologie de gravure standard pour faire de nombreux petits trous carrés dans ce sandwich (seulement 100 nm de large, bien moins que la longueur d'onde de la lumière rouge); le résultat est une structure en treillis qui rappelle un filet de pêche. Ensuite, ils ont fait passer un faisceau de lumière rouge à travers le matériau résultant et ont mesuré l'indice de réfraction, qui était de -0,6.
Les auteurs prévoient que la technologie qu'ils ont inventée sera largement utilisée. Les métamatériaux «peuvent un jour conduire à une sorte de super-lentille plate qui fonctionne dans le spectre visible», explique le Dr Sukulis. "Cet objectif vous permettra d'obtenir une résolution plus élevée que la technologie traditionnelle et de distinguer les détails qui sont nettement plus petits que la longueur d'onde de la lumière." De toute évidence, l'une des premières applications d'un "super-objectif" serait de photographier des objets microscopiques avec une clarté sans précédent; on peut parler de photographie à l'intérieur d'une cellule humaine vivante ou de diagnostic de maladies du fœtus dans l'utérus. Idéalement, il sera possible de photographier directement les composants d'une molécule d'ADN, sans utiliser de techniques de cristallographie aux rayons X brutes.
Jusqu'à présent, les scientifiques ont pu démontrer un indice de réfraction négatif uniquement pour la lumière rouge. Mais la méthode doit être développée et l'étape suivante consiste à créer un métamatériau qui pourrait complètement entourer le rayon rouge autour de l'objet, le rendant invisible à la lumière rouge.
On peut également s'attendre à un développement ultérieur dans le domaine des "cristaux photoniques". L'objectif de la technologie des cristaux photoniques est de créer une puce qui utilise la lumière au lieu de l'électricité pour traiter l'information. L'idée est d'utiliser la nanotechnologie pour graver de minuscules composants sur le substrat afin que l'indice de réfraction change avec chaque composant. Les transistors dans lesquels la lumière fonctionne présentent de nombreux avantages par rapport aux transistors électroniques. Par exemple, dans les cristaux photoniques, il y a beaucoup moins de perte de chaleur. (Les copeaux de silicium complexes génèrent suffisamment de chaleur pour faire frire un œuf. Ces copeaux doivent être refroidis en permanence pour éviter qu'ils ne tombent en panne, ce qui est très coûteux.)
Il n'est pas surprenant que la technologie de production de cristaux photoniques soit idéale pour les méta-matériaux, car les deux technologies impliquent la manipulation de l'indice de réfraction de la lumière à l'échelle nanométrique.
Invisibilité grâce à la plasmonique
Ne voulant pas être en reste par ses rivaux, un autre groupe de physiciens a annoncé mi-2007 la création d'un métamatériau capable de faire tourner la lumière visible, basé sur une technologie complètement différente appelée plasmonique. Les physiciens Henri Lesek, Jennifer Dionne et Harry Atwater du California Institute of Technology ont annoncé la création d'un métamatériau qui a un indice de réfraction négatif pour la région bleu-vert plus complexe du spectre visible.
Le but de la plasmonique est de «presser» la lumière de cette manière afin que les objets puissent être manipulés à l'échelle nanométrique, en particulier sur les surfaces métalliques. La raison de la conductivité électrique des métaux réside dans le fait que les électrons des atomes métalliques sont faiblement liés au noyau et peuvent se déplacer librement le long de la surface du réseau métallique. L'électricité qui traverse les fils de votre maison est un flux régulier de ces électrons faiblement liés sur une surface métallique. Mais dans certaines conditions, lorsqu'un faisceau de lumière frappe une surface métallique, les électrons peuvent vibrer à l'unisson avec la lumière. Dans ce cas, des mouvements d'électrons en forme d'onde apparaissent à la surface du métal (ces ondes sont appelées plasmons) au rythme des oscillations du champ électromagnétique au-dessus du métal. Plus important encore, ces plasmons peuvent être «compressés» de manière à avoir la même fréquence quecomme le faisceau lumineux d'origine (ce qui signifie qu'ils porteront les mêmes informations), mais une longueur d'onde beaucoup plus courte. En principe, ces ondes compressées peuvent ensuite être comprimées en nanofils. Comme pour les cristaux photoniques, le but ultime de la plasmonique est de créer des puces informatiques qui font fonctionner la lumière, pas l'électricité.
Un groupe de California Tech a construit son métamatériau avec deux couches d'argent et une couche isolante silicium-azote (seulement 50 nm d'épaisseur) entre elles. Cette couche agit comme un "guide d'ondes" capable de diriger les ondes plasmoniques dans la direction souhaitée. Un faisceau laser pénètre dans le dispositif par une fente découpée dans le métamatériau; il passe à travers le guide d'ondes puis sort par la deuxième fente. Si vous analysez les angles sous lesquels un faisceau laser est courbé lors du passage à travers un métamatériau, vous pouvez déterminer que le matériau a un indice de réfraction négatif pour la lumière d'une longueur d'onde donnée.
L'avenir des métamatériaux
Les progrès de l'étude des métamatériaux à l'avenir s'accéléreront pour la simple raison qu'il y a déjà beaucoup d'intérêt à créer des transistors qui fonctionnent sur un faisceau lumineux au lieu de l'électricité. On peut donc supposer que la recherche dans le domaine de l'invisibilité pourra «faire grimper», c'est-à-dire profiter des résultats des recherches déjà en cours pour créer un remplaçant pour une puce de silicium utilisant des cristaux photoniques et plasmoniques. Déjà aujourd'hui, des centaines de millions de dollars sont investis dans le développement d'une technologie destinée à remplacer les puces de silicium, et la recherche dans le domaine des métamatériaux en bénéficiera également.
Actuellement, de nouvelles découvertes majeures dans ce domaine sont faites tous les quelques mois, il n'est donc pas surprenant que certains physiciens s'attendent à ce que les premiers échantillons d'un véritable bouclier d'invisibilité apparaissent en laboratoire dans quelques décennies. Ainsi, les scientifiques sont convaincus qu'ils seront en mesure de créer des métamatériaux dans les prochaines années qui peuvent rendre un objet complètement invisible, au moins en deux dimensions, pour la lumière visible de toute fréquence particulière. Pour obtenir cet effet, il sera nécessaire d'introduire de minuscules nanoimplants dans le métamatériau non pas en rangées régulières, mais selon un motif complexe, de sorte que la lumière se plie en douceur autour de l'objet caché.
Ensuite, les scientifiques devront inventer et créer des métamatériaux capables de plier la lumière en trois dimensions, et pas seulement sur des surfaces planes en deux dimensions. La photolithographie est une technologie éprouvée pour la production de circuits plats en silicium; la création de métamatériaux tridimensionnels nécessitera au moins un agencement complexe de plusieurs diagrammes plats.
Après cela, les scientifiques devront résoudre le problème de la création de métamatériaux qui plient la lumière non pas d'une fréquence, mais de plusieurs - ou, disons, d'une bande de fréquences. C'est sans doute la tâche la plus difficile, car tous les minuscules implants développés jusqu'à présent ne dévient que la lumière d'une fréquence précise. Les scientifiques devront peut-être s'attaquer à des métamatériaux multicouches, où chaque couche agira à une fréquence spécifique. On ne sait pas encore quelle sera la solution à ce problème.
Mais le bouclier d'invisibilité, même après avoir été finalement créé en laboratoire, peut ne pas être du tout ce que nous voulons, très probablement, ce sera un appareil lourd et peu maniable. La cape de Harry Potter était cousue à partir d'un tissu fin et doux et rendait invisible quiconque s'enveloppait dedans. Mais pour qu'un tel effet soit possible, l'indice de réfraction à l'intérieur du tissu doit constamment évoluer de manière complexe en fonction des vibrations du tissu et des mouvements de la personne. Ceci n'est pas pratique. Très probablement, la cape d'invisibilité, du moins au début, sera un cylindre solide de métamatériau. Dans ce cas, l'indice de réfraction à l'intérieur du cylindre peut être rendu constant. (Dans les modèles plus avancés, au fil du temps, des métamatériaux flexibles peuvent apparaître qui peuvent se plier et en même temps garder la lumière à l'intérieur d'eux-mêmes sur le bon chemin.qui sera à l'intérieur du "manteau" aura une certaine liberté de mouvement.)
Le bouclier d'invisibilité a un inconvénient, qui a déjà été souligné à plusieurs reprises: celui qui est à l'intérieur ne peut pas regarder sans devenir visible. Imaginez Harry Potter avec seulement ses yeux visibles; alors qu'ils semblent flotter dans l'air à la hauteur appropriée. Tout trou pour les yeux dans la cape d'invisibilité serait clairement visible de l'extérieur. Si vous rendez Harry Potter complètement invisible, alors il devra s'asseoir aveuglément et dans l'obscurité complète sous sa cape. (Une solution possible à ce problème serait deux petites lunettes devant les yeux. Ces lunettes agiraient comme des "séparateurs de faisceau"; elles pinceraient et dirigeraient une petite partie de la lumière tombant sur elles dans les yeux. Cependant, la majeure partie de la lumière tombant sur la cape était contournerait, rendant la personne invisible à l'intérieur, mais certains, très petits,une partie se séparerait et entrerait dans les yeux.)
Sans aucun doute, les obstacles à l'invisibilité sont très graves, mais les scientifiques et les ingénieurs sont optimistes et pensent qu'un bouclier d'invisibilité d'un type ou d'un autre peut être créé dans les prochaines décennies.
Invisibilité et nanotechnologie
Comme je l'ai déjà mentionné, la clé de l'invisibilité peut être le développement de la nanotechnologie, c'est-à-dire la capacité de manipuler des structures de tailles atomiques (environ un milliardième de mètre de diamètre).
Le moment de la naissance de la nanotechnologie s'appelle la fameuse conférence au titre ironique «Au fond est plein d'espace», qui a été prononcée par le lauréat du prix Nobel Richard Feynman devant l'American Physical Society en 1959. Dans cette conférence, il a expliqué à quoi les plus petites machines peuvent ressembler nous par les lois de la physique. Feynman s'est rendu compte que la taille des machines deviendrait de plus en plus petite jusqu'à ce qu'elles approchent de la taille d'un atome, puis les atomes eux-mêmes pourraient être utilisés pour créer de nouvelles machines. Il a conclu que les machines atomiques les plus simples comme un bloc, un levier ou une roue ne contredisent pas les lois de la physique, mais il sera extrêmement difficile de les fabriquer.
Pendant de nombreuses années, la nanotechnologie a langui dans l'oubli - simplement parce que la technologie de l'époque ne permettait pas la manipulation d'atomes individuels. Mais en 1981, il y a eu une percée: les physiciens Gerd Binnig et Heinrich Rohrer du laboratoire IBM de Zurich ont inventé le microscope à effet tunnel, qui leur a valu plus tard le prix Nobel de physique.
Les scientifiques ont pu soudainement obtenir des «images» étonnantes d'atomes individuels combinés en structures - exactement les mêmes que celles habituellement décrites dans les livres de chimie; à un moment donné, les critiques de la théorie atomique ont considéré cela impossible. Il était maintenant possible d'obtenir de magnifiques photographies d'atomes disposés en rangées dans la structure correcte d'un cristal ou d'un métal. Les formules chimiques avec lesquelles les scientifiques ont tenté de refléter la structure complexe de la molécule pouvaient désormais être vues à l'œil nu. De plus, le microscope à effet tunnel a permis de manipuler des atomes individuels. Les découvreurs ont disposé les lettres IBM à partir d'atomes individuels, ce qui a fait une réelle sensation dans le monde scientifique. Les scientifiques ne sont plus aveugles dans le monde des atomes individuels; ils ont pu voir et travailler avec des atomes.
Le principe de fonctionnement d'un microscope à effet tunnel est d'une simplicité trompeuse. Tout comme un gramophone scanne un disque avec une aiguille, ce microscope passe lentement une sonde pointue sur la substance à l'étude. (La pointe de cette sonde est si pointue qu'elle se termine par un seul atome.) La sonde porte une faible charge électrique; un courant électrique circule de son extrémité à travers le matériau à l'étude jusqu'à la surface conductrice en dessous. Lorsque la sonde passe au-dessus de chaque atome, le courant change légèrement; les changements de courant sont soigneusement enregistrés. Les montées et les baisses du courant lorsque l'aiguille passe au-dessus de l'atome de manière très précise et détaillée reflètent son contour. Après avoir traité et présenté sous forme graphique les données sur les fluctuations de courant pour un grand nombre de passes, vous pouvez obtenir une belle image d'atomes individuels qui forment un réseau spatial.
(Un microscope à effet tunnel peut exister grâce à une étrange loi de la physique quantique. Habituellement, les électrons n'ont pas assez d'énergie pour voyager de la pointe de la sonde au substrat à travers la couche de matière. Mais, selon le principe d'incertitude, il y a une petite possibilité que les électrons «tunnel», c.-à-d. Autrement dit, ils pénètrent la barrière, bien que cela contredit la théorie newtonienne. C'est pourquoi le courant traversant le matériau est si sensible aux effets quantiques subtils qu'il contient. Plus tard, je m'attarderai sur les conséquences de la théorie quantique plus en détail.)
De plus, la sonde du microscope est suffisamment sensible pour déplacer des atomes individuels et construire de simples «machines» à partir d'eux. Pour le moment, cette technologie est si avancée que vous pouvez voir un groupe d'atomes sur un écran d'ordinateur et, en déplaçant simplement le curseur, déplacer des atomes individuels de manière arbitraire. Des dizaines d'atomes peuvent être manipulés aussi facilement que des briques Lego. Vous pouvez non seulement disposer des lettres à partir d'atomes, mais également créer des jouets, tels que, par exemple, un boulier, où les articulations sont assemblées à partir d'atomes uniques. Pour cela, les atomes sont disposés sur une surface équipée de rainures verticales. Des fullerènes sphériques ("ballons de football" composés d'atomes de carbone individuels) sont insérés dans les rainures. Ces boules de carbone servent d'os de comptes atomiques, se déplaçant de haut en bas dans leurs rainures.
Vous pouvez également couper des dispositifs atomiques avec des faisceaux d'électrons. Par exemple, des scientifiques de l'Université Cornell ont sculpté dans du silicium cristallin la plus petite guitare du monde, dont la taille est 20 fois plus petite que l'épaisseur d'un cheveu humain. La guitare a six cordes, chacune d'une centaine d'atomes d'épaisseur, qui peuvent être tirées avec un microscope à force atomique. (La guitare jouera effectivement de la musique, mais les fréquences qu'elle produit sont bien au-delà de l'audibilité de l'oreille humaine.)
De nos jours, presque toutes les «nanomachines» ne sont que des jouets. Des machines plus complexes avec engrenages et roulements doivent encore être créées. Mais de nombreux ingénieurs sont convaincus que le temps des vraies machines atomiques est en route. (Dans la nature, de telles machines existent. Les organismes unicellulaires sont capables de flotter librement dans l'eau en raison des mouvements de poils minuscules. Mais si nous considérons attentivement le lien entre un cheveu et une cellule, il devient clair que c'est la machine atomique qui permet à un cheveu de se déplacer arbitrairement dans toutes les directions. Par conséquent, l'un des moyens de développer la nanotechnologie est une copie de la nature, qui maîtrisait la production de machines atomiques il y a des milliards d'années.)
Hologrammes et invisibilité
Une autre façon de rendre une personne quelque peu invisible est de photographier la vue derrière elle, puis de projeter cette image directement sur les vêtements de la personne ou sur une sorte d'écran devant elle. Si vous regardez de face, il semblera que la personne est devenue transparente et que la lumière traverse en quelque sorte son corps.
Ce processus, connu sous le nom de «cloaking optique», a été sérieusement poursuivi, en particulier, par Naoki Kawakami du laboratoire Tachi de l'Université de Tokyo. Il dit: «Cette technologie pourrait être utilisée pour aider les pilotes à voir la piste à travers le plancher du cockpit ou pour aider les conducteurs à regarder autour d'eux lorsqu'ils sont stationnés. La cape de Kawakami est recouverte de minuscules perles réfléchissantes qui agissent comme un écran de cinéma. Ce qui se passe par derrière est filmé avec une caméra vidéo. Cette image est ensuite dirigée vers un vidéoprojecteur qui, à son tour, la projette sur la cape en face. Il semble que la lumière pénètre la personne de part en part.
Des prototypes d'imperméables avec un système de camouflage optique ont déjà été créés en laboratoire. Si vous regardez directement de face une personne dans un tel manteau, il semble qu'elle disparaisse, car vous ne voyez qu'une image de ce qui se passe derrière. Mais si vous, et avec vous vos yeux, bougez un peu et que l'image sur le manteau reste la même, il deviendra clair que ce n'est qu'une tromperie. Dans un système de camouflage optique plus réaliste, il sera nécessaire de créer l'illusion d'une image tridimensionnelle. Cela nécessitera des hologrammes.
Un hologramme est une image 3D créée par des lasers (pensez à l'image 3D de la princesse Leia dans Star Wars). Vous pouvez rendre une personne invisible si vous prenez une photo de l'arrière-plan derrière lui à l'aide d'une caméra holographique spéciale, puis la recréez sur un écran holographique spécial devant lui. L'observateur verra un écran holographique devant lui avec une image de tout ce qui se trouve réellement devant, à l'exception d'une personne. Il semblera que la personne vient de disparaître. À sa place, il y aura une image 3D précise de l'arrière-plan. Même après avoir déménagé, vous ne pourrez pas comprendre qu'il y a un faux devant vous.
La création de telles images 3D est possible grâce à la "cohérence" de la lumière laser, i. le fait que les oscillations électromagnétiques s'y produisent strictement à l'unisson. Pour construire un hologramme, un faisceau laser cohérent est divisé en deux parties. Une moitié est dirigée vers le film photographique, l'autre - vers le même film photographique, mais après réflexion de l'objet. Lorsque les deux moitiés du faisceau interfèrent, un motif d'interférence apparaît sur le film, qui contient toutes les informations sur le faisceau tridimensionnel d'origine. Le film après le développement n'a pas l'air très prometteur - seul un réseau de lignes et de boucles incompréhensibles est visible dessus. Mais si vous passez un rayon laser à travers ce film, une copie exacte en trois dimensions de l'objet apparaît dans l'air, comme par magie.
Néanmoins, l'invisibilité holographique pose de très sérieux problèmes aux chercheurs. L'un d'eux est la création d'une caméra holographique capable de prendre au moins 30 photos par seconde. Un autre est le stockage et le traitement de toutes ces informations. Enfin, vous devrez projeter l'image sur l'écran pour qu'elle paraisse réaliste.
Invisibilité à travers la quatrième dimension
Il convient de mentionner une autre façon beaucoup plus astucieuse de devenir invisible, comme l'a souligné H. G. Wells dans le roman The Invisible Man. Cette méthode consiste à utiliser les capacités de la quatrième dimension. (Plus loin dans ce livre, je parlerai davantage de l'existence possible de dimensions supérieures.) Une personne peut-elle quitter notre univers tridimensionnel et planer au-dessus de celui-ci dans la quatrième dimension, en observant ce qui se passe de côté? Comme un papillon tridimensionnel flottant sur une feuille de papier bidimensionnelle, une telle personne serait invisible pour tout habitant de l'univers ci-dessous. Le seul problème est que l'existence de dimensions supérieures n'a pas encore été prouvée. De plus, un voyage hypothétique dans l'une de ces dimensions exigerait beaucoup plus d'énergie que nous n'en avons actuellement dans l'état actuel de la technique. Si nous parlons de véritables moyens d'atteindre l'invisibilité, alors cette méthode, évidemment, va bien au-delà de nos connaissances et capacités actuelles.
Compte tenu des énormes progrès déjà réalisés sur la voie de l'invisibilité, je pense que nous pouvons sans risque le classer comme une impossibilité de classe I. L'invisibilité d'une sorte ou d'une autre peut devenir monnaie courante dans les prochaines décennies, au moins d'ici la fin du siècle.