Etudiant : BENLMOULA ABDELMONAIM

Filière : LF SMP - Option Matériaux

Encadrant : Pr. CHATWITI ABDELHAFID

Annèe : 2021

Résumé : Ce mémoire est consacré à l’étude des modèles des Métamatériaux. C’est par ces termes que John Pendry de l’Imperial College titrait l’un de ses articles en 2001, illustrant ainsi, non sans un certain humour, le caractère à la fois insolite et révolutionnaire d’une nouvelle branche de la recherche en électromagnétisme : les métamatériaux. Il est vrai que le concept de « réfraction négative » souvent associé aux métamatériaux a de quoi perturber. En réalité, John Pendry valide par cette phrase les preuves expérimentales d’un concept théorisé 30 ans plus tôt, en 1968, par un scientifique russe, Victor Veselago, le premier à avoir émis l’hypothèse d’un milieu d’indice négatif. Cette citation peut néanmoins prêter à confusion, car elle laisse à penser que le champ d’étude des métamatériaux se résume à la réfraction négative, ce qui est très réducteur. Bien que notre mémoire se consacre également à la mise en évidence d’un indice négatif dans la gamme térahertz, ce n’est pas le seul intérêt de ces structures, nous le verrons bientôt au chapitre III . Il est donc nécessaire de donner une véritable définition d’un métamatériau. Les métamatériaux sont des matériaux composites artificiels, dont la structure interne est périodique et surtout sub-longueur d’onde. Ils sont donc assimilables à des matériaux homogènes et peuvent être décrits par des paramètres dits « effectifs », comme la permittivité et la perméabilité. C’est seulement dans le cas où un milieu possède une permittivité et une perméabilité négatives simultanément qu’il se comportera comme un milieu d’indice négatif. Ces structures ont ainsi des propriétés que l’on ne retrouve pas dans la nature (du moins dans l’état actuel des connaissances), ceci explique le préfixe méta signifiant au-delà de. La figure I.0 permet de résumer la situation. En effet, jusqu’à une date récente (disons environ le milieu du XXème siècle) notre monde se limitait à l’étude de matériaux ayant des permittivités et perméabilités strictement positives, à quelques exceptions près comme par exemple les plasmas dont la permittivité est négative. Il a fallu attendre Veselago pour qu’on s’interroge sérieusement sur le cas où ces deux grandeurs physiques sont simultanément négatives, et les années 2000 pour voir les premières réalisations expérimentales émerger. La zone verte sur la figure I.0 représente donc les conditions que l’on ne retrouve pas dans la nature mais que les métamatériaux peuvent reproduire. Quinze ans plus tard, ce serait un euphémisme de dire que ce concept a réussi à se développer : les métamatériaux sont devenus un domaine de recherche à part entière, regroupant physiciens, chimistes, ingénieurs, etc. sur des thèmes souvent très variés et ce sur tout le spectre électromagnétique. Il attire en grande partie pour ses potentialités, comme par exemple la possibilité de rendre des objets invisibles — nous y reviendrons— ou de fabriquer des lentilles parfaites. Ce domaine de recherche rencontre un succès tel que le nombre de publications sur le sujet par année ne fait que croitre depuis le début des années 2000, cela sans compter les articles dans les journaux scientifiques (Pour la science, La recherche, etc.) et même non-scientifiques (Le monde, Les échos, etc.). Ce mémoire est composé de trois chapitres : Dans le chapitre I, nous avons mis l’accent sur les définitions et la théorie des Métamatériaux qui présentent des propriétés intrinsèques exceptionnelles (permittivité et/ou perméabilité négatives). Une classification des Métamateriaux a été présentée en fonction du signe des paramètres effectifs des cellules Métamateriaux. Dans le chapitre II, quel que soit le domaine d’application, un méta-matériau permet de développer des propriétés inaccessibles avec des matériaux conventionnels. Toutefois des limites sont inhérentes à la construction de ces méta-matériaux. L’interaction d’un méta-matériau avec une onde (électromagnétique ou acoustique) produit des propriétés intéressantes pour des bandes de fréquences souvent restreintes au voisinage de fréquences de résonance. Ces fréquences étant directement reliées à la taille de la structure périodique du matériau, les limites actuelles sont imposées par les techniques de fabrication. Dans le chapitre III, nous avons évoqué l’intérêt du domaine des fréquences THz, domaine émergeant à fort potentiel applicatif, et des technologies associées. Aujourd'hui encore, les problématiques liées au gap THz sont encore loin d'être solutionnées et de nouvelles recherches sont nécessaires afin d'améliorer les technologies existantes et de développer de nouvelles applications, notamment, dans le domaine des télécommunications. Métamatériaux THz planaires a été motivé par plusieurs raisons : leur facilité d'adaptation par rapport à d'autres technologies, leurs dimensions qui sont accessibles à l'aide des techniques de micro-fabrication peu onéreuses et la possibilité de les utiliser pour réaliser des composants permettant de contrôler et manipuler les ondes THz.