Breve histoire de nims et de refraction negative

On assiste aujourd’hui à une augmentation du nombre de services utilisant des liaisons radiofréquences sur un même objet qu’il s’agisse d’un Smartphone ou d’un Media Center. Ces applications sont variées et opèrent sur différentes bandes de fréquences plus ou moins proches les une des autres. Il est donc nécessaire de faire cohabiter dans un environnement réduit des antennes pour, par exemple, recevoir de signaux de positionnement par satellite, échanger du flux multimédia à plus ou moins haut débit … Aussi bien pour des raisons esthétiques que techniques ces antennes doivent être discrètes et petites. Elles sont donc naturellement très couplées entre elles et à la structure d’accueil lorsque cette dernière est de faible dimension, ce qui génère de beaux problèmes de compatibilité électromagnétique. Les antennes sont généralement des éléments résonnants dont les dimensions sont de l’ordre de la longueur d’onde. Ceci pose immanquablement des problèmes si les longueurs d’onde de travail sont centimétriques comme c’est le cas actuellement pour la plupart des systèmes de télécommunications. La fabrication d’éléments rayonnant plus courts se traduit généralement par une perte d’efficacité car la partie réelle de l’impédance de rayonnement n’est maximale qu’à la fréquence de résonance du dispositif. Les solutions classiques (repliement des branches de l’antenne et/ou utilisation de substrats à très forte permittivité) trouvent actuellement leurs limites en termes de couplages parasites et de pertes.

Le terme métamatériaux désigne dans son ensemble des matériaux composites artificiels qui présentent des propriétés électromagnétiques qu’on ne retrouve pas dans les matériaux naturels. Il s’agit en général de structures périodiques, diélectriques ou métalliques, qui se comportent comme des matériaux homogènes n’existant pas à l’état naturel. Il existe plusieurs types de métamatériaux en électromagnétisme, les plus connus étant ceux susceptibles de présenter à la fois une permittivité et une perméabilité négatives. Mais il en existe d’autres (milieux d’impédance infinie, milieu à permittivité relative inférieure à 1, etc…). Ils permettent de réaliser des nano-antennes en optique et ouvrent des perspectives intéressantes pour les hyperfréquences. En pratique, en micro-ondes ils sont fabriqués artificiellement en microstructurant des composés métalliques et diélectriques. Cette microstructuration se fait à une échelle bien plus petite que la longueur d’onde. Ils sont donc potentiellement intéressants pour des développements visant la miniaturisation des dispositifs. Ce n’est pas leur seul avantage car ils présentent également des propriétés électromagnétiques tout à fait inhabituelles notamment en ouvrant la possibilité de fabriquer des matériaux à indice effectif de réfraction égal à zéro. Un simple calcul à partir de la loi de Snell-Descartes montre que dans ces conditions une source initialement divergente est collimatée.

La définition des métamatériaux n’est pas complètement déterminée et peut être établie en tenant compte des aspects divers et de différents degrés de flexibilité. Périodicité et exotiques des propriétés électromagnétiques peuvent être considérées comme des questions essentielles pour une structure doit être considérée comme des métamatériaux. Nous allons utiliser cependant une définition plus large des métamatériaux, dans laquelle ces deux aspects ne sont pas essentiels. Nous examinerons métamatériaux comme des «structures périodiques ou quasi périodiques qui sont artificiellement créés pour en ce qui concerne la taille de la maille, ces structures peuvent être classées comme cristaux électromagnétiques(ou électromagnétique bandegap-EBGs-) ou des médias efficaces.

Ces structures dont la période est de l’ordre de la longueur d’onde peuvent être considérées comme cristaux électromagnétiques. Ils présentent des effets d’interférence qui donnent lieu à la fréquence bande-gap, ce qui est connu sous le nom de dispersion de Bragg. La période effective dans ces médias est beaucoup plus petite que la longueur d’onde. Cela provoque à des champs électromagnétiques uniformes et par conséquent montre des propriétés efficaces électromagnétiques. Il est à noter que les caractéristiques efficace de l’ensemble du milieu ne doivent pas être les mêmes que ceux de l’unité de cellules qui le composent. Ce qui rend possible que métamatériaux présentent des propriétés qui ne peuvent pas être trouvés dans la nature. Sans aucun doute, les médias qui ont spécialement suscité l’intérêt dans la communauté scientifique sont des médias efficaces et en particulier ceux qui sont connus comme de gauche médias remis (médias LHouLHM). Dans ces métamatériaux la permittivité diélectrique(ε) et la perméabilité magnétique(µ), qui caractérisent la propagation d’ondes électromagnétiques dans un milieu, sont à la fois négative. Ces nouveaux négatives (DNG) médias ne se comportent pas comme les autres matériaux trouvés dans la nature, ce qui ouvre la porte à de nouveaux effets et possibilités d’application. Aussi on traite des principales applications de LHmilieu .

BREVE HISTOIRE DE NIMS ET DE REFRACTION NEGATIVE

Historiquement, la réfraction négative d’ondes lumineuses et d’autres a été d’abord débattue par Mandelstam [4] en 1945. La courbe de dispersion d’une branche optique de phonon dans un trellis en cristal a été donnée comme exemple de tels médias peu communs. Le fait que la réfraction à l’interface d’un milieu avec ε>0 et µ>0 et des autres avec ε<0 et µ<0 ne peut pas seulement être négative, mais aussi sans réflexion, a été souligné par Veselago [3] en 1968. L’effet Doppler Renversé et le rayonnement en arrière de Cerenkov près de la réfraction négative et la propagation en arrière d’onde.

Après presque 30 ans depuis le travail séminal de Veselago, Pendry a proposé de diverses structures résonnantes magnétiques telles qu’une rangée de cylindres, et une rangée capacitive de feuilles enroulées sur les cylindres [5]. Pour chaque structure, il a prouvé que la perméabilité efficace peut être décrite comme modèle résonnant ce qui montre une perméabilité négative sur une certaine gamme de fréquence. En plus, Pendry plus tard a proposé quelques variations sur la conception fendue du résonateur d’anneau (SRR) de sorte qu’il fonctionne aux fréquences (IRES) infrarouges [6]. Le premier LHM artificiel a été conçu par Smith [7] employant une combinaison des fils et du SRRs. Smith et autres ont rapporté la démonstration expérimentale des matériaux gauchers en empilant SRRs et structures minces de fil comme Metamaterials choix de 1-D et de 2-D a structuré des metamaterials composés (CMMs) [8]. Le milieu est établi en imprimant d’abord une feuille mince de métal dans la forme des anneaux fendus de circulaire d’un côté du substrat diélectrique. Les feuillards imprimés ont été alors placés à côté d’un ensemble de tiges métalliques relativement grandes [7]. Smith et autres ont prouvé qu’un metamaterial contenant seulement SRR a une caractéristique de bande d’arrêt, alors qu’un metamaterial contenant seulement des tiges a une caractéristique passe-haut. Cependant, quand toutes les deux sont présentes, une bande de passage apparaît près de la bande d’arrêt pour le SRRs,De là, Smith et Al. Conclure que la propagation est a permis à ces fréquences dû au fait que la permittivité et la perméabilité sont à la fois négatifs [8].Un milieu avec la constante diélectrique et la perméabilité négatives a un indice de réfraction négatif et vice-versa [3].La première démonstration expérimentale de cette manière a été effectuée par Shelby et Al. [9].Les auteurs ont placé un prisme en forme structure métamatériaux dans un guide d’ondes à plaques parallèles. Ils ont pu observer la réfraction négative et mesurer l’indice de réfraction négatif de la structure composée. La réfraction négative, et en général la propagation des ondes, dans les médias indice négatif ont également été un sujet de controverse et ont suscité un vif débat. Valanju et Al [10] ont réclamé que la dispersion implique la réfraction positive de la vitesse de groupe même quand la vitesse de phase est réfractée négativement Le comportement de la lentille parfaite des matériaux gauchers a été également critiqué. En particulier, Garcia [11] a affirmé que parfait lentille ne peut théoriquement exister parce qu’elle exigerait la production d’énergie infinie  .

Dans [12] Pendry contre dit les réclamations de [11] et explique comment il prend en compte des pertes entièrement, de ce fait établir l’existence de la résolution superbe dans la limite sans absorption. Une grande partie de la confusion résulte des définitions contradictoires de la vitesse du groupe et Valanju et autres [10] ont incorrectement identifié la vitesse de groupe comme direction du mouvement de modèle d’interférence [13].

NIM ont attiré une attention croissante à la fois théorie et expérience. Une représentation alternative de l’INM est l’aide de la ligne de transmission(TL) approche [14].En utilisant le modèle duel du TL conventionnel, un nouveau TL a été construit en utilisant la capacité en série et l’inductance de shunt. Un composé général de droite à gauche – remis (CRLH) se compose par capacité et inductance en série et inductance et capacité de shunt. Le CRLH est la base de beaucoup de composants de micro-onde comprenant des antennes, des coupleurs, et des résonateurs [14]. NIM souffre des pertes élevées et de la largeur de bande étroite. Après la réalisation expérimentale du manteau invisible dans le régime de micro onde [15], un de grand intérêt dans la transformation optique, utilisée pour expliquer la dissimulation dans la région optique du spectre, ainsi de l’invisibilité, a été développée [16]. Comme indiqué précédemment, LHM ne sont pas les seuls matériaux qui provoquent le concept négatif de réfraction. La réfraction négative est également réalisable en utilisant les 2-D PCs [17, 18]

Les PCs sont les structures en général périodiques construites en utilisant les matériaux diélectriques élevés [19]. La réfraction négative peut également être obtenue en utilisant (LC) les cellules à cristal liquide [20, 21]. Le faisceau réfracté est commandé en utilisant le champ électrique et la température [20]. Kang et autres. [22] ont employé un champ magnétique externe pour obtenir la réfraction négative dans LCS nématique (NLCs).Les auteurs ont utilisé un dispositif en forme de prisme NLC et ont montré que réfraction négative est idéalement réalisé en changeant l’angle d’incidence de la lumière et la direction du champ magnétique appliqué.