Un domaine de la science des matériaux connu sous le nom de métamatériaux a récemment captivé l’imagination des ingénieurs espérant créer des dispositifs optiques à l’échelle nanométrique. Jonathan Fan, professeur adjoint de génie électrique et directeur de l’ExFab à l’installation de nanofabrication de Stanford, ouvre la voie. Il a récemment remporté la prestigieuse bourse Packard en sciences et ingénierie 2016, qui finance les professeurs en début de carrière les plus prometteurs dans des domaines allant de la physique et de la chimie à l’ingénierie. Fan n’est que le quatrième ingénieur électricien de Stanford à remporter la bourse depuis 1988, et le soutien financier qui l’accompagne lui permettra de poursuivre un travail si innovant qu’il peut autrement s’avérer difficile à financer par des moyens traditionnels. Nous avons parlé à Fan de ses visions en ingénierie des métamatériaux et de ses collaborations interdisciplinaires avec d’autres professeurs de Stanford, Allison Okamura et Sean Follmer, dans des projets tels que l’intégration de nouveaux types de systèmes électromagnétiques avec des robots.

Que sont les métamatériaux ?

À son niveau le plus élémentaire, nous ramenons l’idée d’une antenne à l’échelle nanométrique. Avant le câble et le satellite, les téléviseurs avaient des antennes métalliques. Si votre image n’était pas très bonne, vous vous lèveriez et reconfigureriez physiquement la géométrie de l’antenne pour modifier ses performances. Ces antennes ont été conçues pour des ondes radio d’une longueur de centimètres à mètres. Nous travaillons à créer des antennes à l’échelle nanométrique qui seraient capables de répondre à la lumière visible avec des longueurs d’onde de 400 à 700 nanomètres, ou à la lumière infrarouge, où les longueurs d’onde sont de l’ordre du micron. En configurant la géométrie de ces antennes individuellement et dans des collections, nous pouvons concevoir des systèmes capables d’interagir et de manipuler la lumière de manière entièrement nouvelle.

Ces petites antennes sont de plusieurs ordres de grandeur plus petites qu’une antenne de télévision. Heureusement, le développement de la plate-forme de circuits intégrés électroniques modernes au cours du dernier demi-siècle a produit des processus technologiques matures qui peuvent nous aider à définir des caractéristiques à l’échelle nanométrique. Nous utilisons ces mêmes technologies de modélisation pour fabriquer ces antennes à l’échelle nanométrique. C’est l’aperçu très basique.

Quelle est la dérivation du terme « méta » dans le nom métamatériaux?

Lorsque vous pensez à une lentille conventionnelle, vous pensez au verre – le matériau, n’est-ce pas? Le verre de votre appareil photo ou de vos lunettes plie la lumière de manière très prévisible en fonction de la réponse matérielle intrinsèque du verre. Une lentille faite d’un métamatériau répondra à la lumière d’une manière qui ne repose plus uniquement sur les propriétés du matériau lui-même, mais en grande partie sur la conception et la disposition de ces antennes optiques. Le concept de « méta » vient donc de notre capacité à concevoir des matériaux artificiels, constitués d’un composite de structures à l’échelle nanométrique, qui peuvent répondre à la lumière de manière entièrement nouvelle. C’est plutôt bien de voir un exemple dans le cas d’un métal comme l’or. Nous considérons généralement l’or comme un matériau en vrac réfléchissant, jaunâtre et brillant. Même lorsque vous descendez à l’échelle nanométrique, l’or reste de l’or. Mais en spécifiant la géométrie de l’or à l’échelle nanométrique, nous pouvons changer la couleur de l’or du jaune au vert ou au rouge, et il peut prendre en charge de nombreux autres types de propriétés optiques que nous n’associons pas à l’or en vrac. Ce sont des propriétés que les ingénieurs peuvent utiliser pour créer de nouveaux appareils.

Qu’est-ce que les métamatériaux nous permettent de faire ce que nous ne pouvions pas faire auparavant?

Les métamatériaux sont prometteurs pour deux raisons. Premièrement, ils permettent une miniaturisation extrême des dispositifs optiques existants. Par exemple, nous pouvons prendre une lentille de lunettes et la rendre 100 fois plus fine qu’une mèche de cheveux. Cela nous permet de traduire des systèmes optiques traditionnellement volumineux en facteurs de forme extrêmement petits. Deuxièmement, ils peuvent être personnalisés pour prendre en charge de nouvelles propriétés qui ne sont actuellement pas accessibles avec du matériel optique existant, ce qui conduit à des systèmes optiques entièrement nouveaux.

Quel est un exemple de dispositif de métamatériau potentiel?

Une opportunité majeure aujourd’hui provient du fait que les caméras haute résolution se sont miniaturisées à des tailles pouvant s’adapter aux téléphones portables, les rendant accessibles à un public un million de fois plus grand qu’auparavant. Une partie de ma question de recherche plus large est la suivante: Y a-t-il quelque chose de plus que nous pouvons faire avec des systèmes d’imagerie avec des facteurs de forme d’une caméra de téléphone portable? Il y a tellement d’informations dans le champ lumineux entrant qui ne sont pas actuellement capturées par une caméra de téléphone portable, mais qui pourraient être capturées avec des systèmes d’imagerie qui incluent des métamatériaux. L’accès à ces informations supplémentaires pourrait changer la façon dont nous utilisons les images que nous prenons. Par exemple, si vous avez un problème de peau, beaucoup plus d’informations optiques de la peau pourraient être extraites d’une simple image de téléphone portable et utilisées pour mieux évaluer votre état.

Qu’est-ce qui vous excite dans les métamatériaux ?

Les métamatériaux nous amènent à un ensemble de questions complètement différent – les métaquestions, si vous voulez. Par exemple, ces nanoantennes sont-elles même la meilleure façon de faire ce que nous voulons faire? À ce stade, même ce n’est pas clair. De plus, vous arrivez aux grandes questions des applications pour ces matériaux et dispositifs. C’est juste grand ouvert. C’est pourquoi c’est excitant pour moi.

Des premières impressions à partager en tant que nouveau membre du corps professoral?

Stanford est un endroit vraiment spécial. Les gens sont de premier ordre et l’environnement est très collaboratif, pas cloisonné. À titre d’exemple, je me suis récemment étendu à la robotique, où j’ai cherché à appliquer des concepts dans les ondes radiofréquences pour créer des systèmes robotiques souples plus intelligents. Dans cet effort, j’ai commencé une collaboration avec Allison Okamura et Sean Follmer, qui sont ingénieurs en mécanique. Cela a été fantastique jusqu’à présent, et j’ai tellement appris. Les gens ici sont très ouverts d’esprit et sont inspirés de faire des recherches interdisciplinaires passionnantes pour identifier et résoudre de gros problèmes. Je suis ravie d’en faire partie.