Les connaissances scientifiques ont
atteint aujourd’hui un niveau tel que
les physiciennes et physiciens sont
maintenant capables, non seulement de
comprendre la matière qui nous entoure,
mais aussi de la manipuler à leur guise,
et ce, - on l’espère ! - dans l’intérêt
général. À cet égard, les Chercheures et
les chercheurs du Groupe de recherche
sur les couches minces et la photonique
(GCMP) du Département de physique
de l’Université de Moncton s’efforcent
de développer des matériaux nouveaux
ayant des propriétés nouvelles et inusitées
qui sont impossibles à trouver à l’état
naturel. Ces nouveaux matériaux portent
le nom de métamatériaux. À l’aide de
techniques sophistiquées de déposition de
couches minces, les chercheurs arrivent
à modifier à leur guise les propriétés
optiques de leurs matériaux pendant leur
synthèse. Les chercheurs parviennent
ainsi à fabriquer des miroirs qui peuvent
sélectivement réfléchir certaines longueurs
d’onde et certains états de polarisation.
Dans ces laboratoires, on prépare des
matériaux présentant une nanostructure
hélicoïdale; celle-ci a la propriété de
faire tourner le plan de polarisation de
la lumière incidente et de bloquer un
des deux états de polarisation circulaire.
Les lunettes utilisées pour le cinéma
3D ont justement cette propriété. Les
effets obtenus sur la polarisation sont des
centaines de fois plus forts que ce qu’il
est possible d’atteindre avec un matériau
naturel.
Ces couches sont aussi utilisées dans les
lasers afin d’accroître leur performance.
Le laser est une source de lumière
artificielle qu’on ne retrouve pas dans
la nature. Son nom est l’acronyme de
l’expression anglaise :
Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation
. Le
laser est une source de lumière présentant
des propriétés uniques, telles que sa
cohérence élevée. La cohérence indique la
capacité de rendre un faisceau de lumière
parallèle, exemple le pointeur laser, ou
encore de le concentrer sur une petite
surface, ce qui permet par exemple de
faire de la découpe ou de la soudure de
pièces métalliques. Une autre particularité
du laser est le fait qu’il n’émette la lumière
qu’à une seule longueur d’onde (c’est-à-
dire une seule couleur). On parle alors de
cohérence spectrale. Le laser est constitué
d’un matériau fluorescent intercalé
entre deux miroirs placés face à face.
Les atomes du matériau sont d’abord
excités par un courant électrique, une
décharge électronique ou encore par un
rayonnement lumineux. De la lumière est
émise par les atomes excités a priori dans
toutes les directions; celle émise vers un
des miroirs est réfléchie par ce dernier et
retourne dans le matériau luminescent.
La clé du fonctionnement du laser
réside dans l’émission stimulée, qui est
le phénomène par lequel un photon
interagissant avec le matériau déclenche
l’émission de lumière d’un atome excité
exactement dans la même direction que
celle du photon incident : on observe
alors une intensification de la lumière
dans la direction qui relie les deux
miroirs. L’idée que le GCMP cherche à
réaliser consiste à modifier les propriétés
des miroirs d’un laser afin de modifier
les propriétés de la lumière émise, en la
rendant encore plus directionnelle, plus
monochromatique et plus intense. Les
miroirs créés par le GCMP remplissent
bien cette tâche et résistent aussi à
des densités de puissance par unité de
surface élevées, ce qui les rend tout à fait
adéquats pour les applications de haute
puissance dans l’industrie ou encore en
physique fondamentale.
Ces exemples illustrent un changement
de perspective dans le travail de la
physicienne ou du physicien du 21
e
siècle. Désormais, elle ou il ne cherche
plus seulement à expliquer les lois de
l’Univers mais s’efforce aussi, grâce à
son inventivité, de modifier et repousser
les limites des substances et matériaux
disponibles, pour le plus grand bien de
l’humanité.
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Les métamatériaux
Le travail de la physicienne ou du physicien a
traditionnellement consisté à comprendre les lois
fondamentales qui régissent le fonctionnement de l’Univers.
Ceci lui a permis de découvrir les atomes, qui sont des
constituants fondamentaux de la matière, de comprendre
leur structure électronique grâce à l’analyse du rayonnement
de désexcitation d’un atome, puis plus tard de comprendre
celle des noyaux atomiques à l’aide de collisionneurs à haute
énergie. Les physiciens de l’état condensé ont par la suite
montré que toutes les propriétés mesurables d’un matériau,
qu’elles soient optiques, électriques, thermiques, mécaniques,
etc., peuvent être prédites avec précision par des lois
simples qui régissent les interactions entre les atomes; ces
lois sont issues de l’électromagnétisme et de la mécanique
quantique, deux disciplines qui se sont développées aux
19e et 20e siècles. Ces lois permettent d’expliquer comment
et par quels mécanismes fonctionne la matière qui nous
entoure. Ce savoir est ensuite exploité par les biologistes,
chimistes, ingénieurs, et gens d’autres disciplines pour
développer des technologies qui seront mises au service de
la société telles que les télécommunications par internet, le
GPS, les ordinateurs, les appareils médicaux, les transports,
l’intelligence artificielle, bref tout ce qui contribue à accroître
notre qualité de vie.
Photo prise par Maxime Boudreau.
