Les métamatériaux sont des matériaux artificiels aux propriétés électromagnétiques inhabituelles. Ils peuvent dévier les rayons lumineux de manière précise. Vincent Ginis, chercheur en photonique à l'Université Harvard, a conçu un métamatériau qui rend les accélérateurs de particules nettement plus sensibles.
Les métamatériaux ouvrent la voie à des applications fascinantes, comme la cape d'invisibilité. Ils s'avèrent aussi précieux dans les détecteurs des grands accélérateurs, tels que le Large Hadron Collider (LHC) du CERN à Genève ou le Tevatron du Fermilab à Chicago. « Dans ces machines, les scientifiques arbitrent constamment entre la résolution du détecteur et l'intensité lumineuse produite par une particule traversant le matériau », explique Vincent Ginis. « La résolution permet d'identifier la particule par sa masse – un électron, un proton ou autre. Une intensité élevée garantit la détection de chaque événement. Malheureusement, haute résolution et haute intensité sont antagonistes en physique des hautes énergies. »
La boîte à outils d'Einstein
Ginis œuvre en optique de transformation, un domaine né en 2006. Cette année-là, des théoriciens ont découvert que les outils mathématiques pour concevoir des métamatériaux reprenaient ceux d'Albert Einstein pour sa théorie de la relativité générale. Celle-ci décrit comment les masses massives, comme les étoiles, courbent l'espace-temps et dévient la lumière.
En optique de transformation, l'objectif est similaire : modifier la trajectoire des rayons lumineux, non par de la matière massive, mais via des métamatériaux. « Nous transposons les métriques courbes de la relativité générale dans les équations de Maxwell », précise Ginis. « Ainsi, nous déterminons les propriétés électromagnétiques requises pour diriger un faisceau lumineux précisément. »
Lumière de Cherenkov
La lumière révélant le passage et l'identité des particules est souvent le rayonnement de Cherenkov (voir « Plus vite que la lumière »). Ginis a conçu un métamatériau spécifique pour le manipuler avec précision – une avancée qui lui a valu une nomination au prix EOS Pipette. Pur théoricien, il l'a développée avec ses collaborateurs via des calculs et simulations, en nanotechnologie avancée. « Il peut être réalisé dans un nanolab moderne sans difficulté majeure », estime-t-il.
Équipé de ce métamatériau, un détecteur conserverait haute résolution et intensité lumineuse. Les équipes du CERN ont accueilli l'idée avec enthousiasme : « Ils sont très positifs. Les ingénieurs prévoient de l'intégrer lors du développement de la prochaine génération de détecteurs. »
Cette recherche offre une autre application : utiliser le métamatériau comme source lumineuse pour « tuner » le rayonnement. « Outre les diodes et lasers, le Cherenkov génère des faisceaux cohérents à des fréquences inédites, comme le bleu ou le térahertz – impossible avec les sources classiques », ajoute Ginis.
Détaché
Post-doctorant à Harvard, Ginis a initié ces travaux lors de sa thèse à la VUB. Apprécie-t-il Cambridge ? « Le cadre est exceptionnel : collègues brillants, équipements de pointe, atmosphère créative. » Mais il pointe les revers de la course scientifique : loyers exorbitants à Boston, forçant de nombreux chercheurs à une vie détachée, focalisée sur le travail.
Plus vite que la lumière
Rien ne va plus vite que la lumière... dans le vide. Sa vitesse, comme celle du son, varie selon le milieu. Dans le vide : 300 000 km/s, limite absolue. Dans l'eau : 225 000 km/s. Les particules peuvent alors dépasser la lumière locale.
Cela arrive souvent en physique subatomique. Comme un avion supersonique produit un bang, les particules « supraluminiques » génèrent une onde électromagnétique : l'effet Cherenkov, visible en bleu dans les réacteurs nucléaires par les électrons traversant le « mur de lumière ».
