Les métamatériaux sont des matériaux artificiels dotés de propriétés électromagnétiques inhabituelles, disons bizarres. Ils peuvent plier les rayons lumineux et les envoyer dans une direction différente. Vincent Ginis a conçu un métamatériau qui rend les accélérateurs de particules considérablement plus sensibles.
Les métamatériaux permettent les applications les plus étranges possibles. La cape d'invisibilité est peut-être la plus attrayante pour l'imagination. Mais les métamatériaux sont aussi utiles dans les détecteurs de puissants accélérateurs de particules, comme le Large Hadron Collider du CERN (Genève) ou le Tevatron du Fermilab (Chicago). "Avec n'importe quel accélérateur de particules, les scientifiques font constamment un compromis entre la résolution du détecteur et l'intensité de la lumière qu'une particule produit lorsqu'elle traverse le détecteur", a déclaré Vincent Ginis, chercheur en lumière ou "photonique" à Harvard. Université. « Cette résolution sert principalement à identifier la particule sur la base de sa masse. Est-ce un électron, un proton ou autre chose ? Une intensité élevée assure que chaque passage (les physiciens parlent généralement d'un « événement », ndlr) est remarqué. Malheureusement, la haute résolution en physique des hautes énergies est préjudiciable à la haute intensité, et vice versa.'
La boîte à outils d'Einstein
Ginis travaille dans un domaine appelé l'optique de transformation, qui n'existe que depuis 2006. Cette année-là, certains théoriciens ont réalisé que la boîte à outils mathématique pour développer des métamatériaux (et simuler leurs propriétés) est en fait la même que celle utilisée par Albert Einstein pour développer son Théorie générale de la relativité écrite il y a des années. La relativité générale décrit comment des objets massifs tels que des étoiles déforment l'espace-temps et courbent la lumière.
En optique de transformation, des chercheurs comme Ginis ont le même objectif :changer la direction des rayons lumineux, non pas avec de gigantesques morceaux de matière mais à l'aide de métamatériaux. "Nous perdons des métriques courbes, que nous avons dérivées de la relativité générale, sur les équations de Maxwell", explique Ginis. "Par exemple, nous étudions les propriétés électromagnétiques qu'un matériau doit avoir pour envoyer un faisceau lumineux dans une direction spécifique."
Lumière Cherenkov
La lumière qui révèle le passage et l'identité d'une particule dans un détecteur est généralement le rayonnement Cherenkov (voir "Plus vite que la lumière"). Ginis a réussi à manipuler précisément cette lumière en lui concevant un métamatériau spécifique - le fait d'armes qui lui a valu une nomination pour la pipette Eos. Notez que Ginis est un pur théoricien. Avec ses co-auteurs, il a développé le métamatériau, un exemple ingénieux de nanotechnologie, sur papier et à travers des simulations informatiques. Ginis :"Bien que je pense qu'il peut être fabriqué dans un nanolab moderne sans trop de problèmes."
Si un détecteur dans un accélérateur de particules était équipé du métamatériau de Ginis, la résolution et l'intensité lumineuse resteraient élevées. Les employés du CERN ont répondu avec enthousiasme. « Ils ont été très positifs quant à notre développement. Les ingénieurs m'ont dit qu'ils emporteraient notre proposition avec eux lorsqu'une nouvelle génération de détecteurs sera prévue dans quelques années. »
Mais la recherche de Ginis a une autre application potentielle. Au lieu d'utiliser la lumière Cherenkov pour détecter les particules, les physiciens peuvent également utiliser le métamatériau comme source de lumière pour « régler » le rayonnement. «Le rayonnement Cherenkov est, en plus des diodes et des lasers, une autre façon de générer de la lumière. L'avantage est qu'il produit des faisceaux cohérents avec des fréquences pour lesquelles il n'existe pas d'autres sources lumineuses. Par exemple, vous pourriez fabriquer un laser bleu ou un laser dit térahertz. Quelque chose qui est très difficile avec les sources lumineuses traditionnelles », explique Ginis.
Détaché
Aujourd'hui, Ginis travaille comme post-doctorant à Harvard. La recherche sur les métamatériaux pour manipuler le rayonnement Cherenkov est une conséquence de sa thèse à la VUB. Aime-t-il Cambridge en Amérique ? « Le cadre académique est de premier ordre :les collègues sont extrêmement intéressants, les équipements sont à la pointe de la technologie et le campus respire la créativité. » Ginis témoigne également des aspects moins positifs de la course effrénée scientifique. Les loyers à Boston et dans les environs ont explosé. Je constate que beaucoup de chercheurs de mon milieu sont donc complètement détachés. Le travail à l'université est le seul objectif.'
Plus rapide que la lumière
Rien ne voyage plus vite que la lumière, n'est-ce pas ? En effet, même si c'est un peu myope. Plus correct :rien ne peut voyager plus vite que la lumière dans le vide.
La vitesse à laquelle les ondes lumineuses se propagent, tout comme le son, dépend du milieu dans lequel elles se déplacent. Dans le vide, la vitesse de la lumière est d'environ 300 000 kilomètres par seconde - la vitesse maximale absolue dans l'univers. Mais dans l'eau, la limite de vitesse des photons est beaucoup plus faible :225 000 kilomètres par seconde. En conséquence, les particules de matière peuvent se déplacer plus rapidement que la lumière dans l'eau.
Cela se produit régulièrement en physique subatomique. Tout comme nous entendons une forte détonation lorsqu'un avion traverse le mur du son (allant donc plus vite que le son), les particules voyageant plus vite que la lumière produisent également une onde - une onde électromagnétique. Cet effet est appelé effet Cherenkov. Il est clairement visible à l'intérieur des réacteurs nucléaires. La lumière Tcherenkov à prédominance bleue est le résultat d'électrons projetant à travers le "mur de lumière".
