Une cape optique qui rend invisible un poisson rouge ou un chat !

La mythologie et les contes de fées ont souvent présenté des capes magiques capables de rendre invisibles héros et méchants. Les physiciens ont depuis quelques décades prévu théoriquement la possibilité de cacher un objet par un système physique. Celui-ci, appelé “cape d’invisibilité”,  transmettrait à l’œil d’un observateur l’image de ce qu’il y a derrière  et autour de l’objet comme si celui-ci n’était pas là. On a pensé le réaliser avec des méta-matériaux. Ces derniers sont des matériaux artificiels composés de plusieurs couches périodiques de conducteurs et de diélectriques. Ils fonctionnent pour une longueur d’onde donnée et on n’a donc pas réussi à en réaliser pour l’ensemble des longueurs d’onde du visible. Hongsheng Chen et son équipe de l’Université Zhejiang à Hangzhou, Chine, ont réussi à construire des capes d’invisibilité  qui, en lumière naturelle, annulent l’image d’êtres vivants qui y sont placés tout en transmettant celle de leur environnement.  Elles sont constituées d’un ensemble de prismes  en verre qui courbent le trajet de la lumière autour de tout objet  placé dans la zone  qu’ils entourent.

La figure  1. ci-dessous montre un aquarium où l’on a disposé une cape d’invisibilité dont la cavité  est de section hexagonale. Ce sont 6 prismes identiques soigneusement disposés qui constituent le dispositif. Un poisson rouge évolue dans le récipient et pénètre parfois dans la cavité de la cape.

Fig.1. Observation expérimentale d’un poisson dans ue cape d’invisibilité installée dans un aquarium. a)La cape est constituée de 6 prismes d’indice de réfraction n= 1,78 contenus dans une enceinte de section hexagonale. Les photos b),c), d) et e) décrivent la nage d’un poisson à travers l’aquarium et la cape. On a figuré en pointillé blanc les positions du poisson quand il est invisible.

Fig.1. Observation expérimentale d’un poisson dans une cape d’invisibilité installée dans un aquarium. a)La cape est constituée de 6 prismes d’indice de réfraction n= 1,78 contenus dans une enceinte de section hexagonale. Les photos b),c), d) et e) décrivent la nage d’un poisson à travers l’aquarium et la cape. On a figuré en pointillé blanc les positions du poisson quand il est invisible. Crédit Hongsheng Chen

 

Les images b), c), d) et e) de la figure ci-dessus  sont extraites de la vidéo ci-après :

Crédit Hongsheng Chen

 

En principe, on peut obtenir avec les méta-matériaux une cape d’invisibilité parfaite qui soit aussi invisible que son contenu. Mais réaliser des méta-matériaux qui fonctionnent à toutes les longueurs d’onde du spectre visible est une autre histoire. Pour des capes parfaites,  tous les rayons qui contournent l’objet à cacher doivent transporter la même information optique de temps et d’espace. On dit alors que les ondes lumineuses correspondantes  sont en phase.

La phase d’une onde périodique est une quantité qui détermine l’amplitude de l’onde à un endroit et un temps donné.

Pour obtenir cela, les rayons qui ont des trajets différents doivent avoir des vitesses différentes, ce qui est impossible à atteindre pour tous les rayons. H. Chen et J.Pendry de l’Imperial College, Londres, ont montré qu’on pouvait  obtenir une invisibilité partielle, en particulier à partir de prismes de calcite. Mais Chen et son équipe sont allés beaucoup plus loin. Ils ont abandonné l’exigence de conservation de la phase de la lumière transmise.  Et ils ont obtenu cet exceptionnel résultat : une cape d’invisibilité déjà très grande qui fonctionne aux longueurs d’onde du spectre visible.

L’expérience suivante, où un chat peut être rendu invisible, illustre cela.

Fig.2.Un arrangement de 6 prismes avec une grande cavité centrale de section rectangulaire assez grande pour qu’un chat puisse y entrer constitue ici la cape d’invisibilité. a)La cape (en bleu) est en verre d’indice 1,78 elle mesure 30 cm de long sur 26 cm de large et a une profondeur de 7 cm. b) Seule la cape est présente. c) Le chat plonge la tête dans le dispositif. d) le chat s’est installé dans la cape. Les lignes pointillées blanches indiquent la limite du corps invisible du chat. La caméra qui a pris ces vues étaient derrière l’écran.

Fig.2.Un arrangement de 6 prismes avec une cavité
centrale de section rectangulaire assez grande pour qu’un chat puisse y entrer
constitue ici la cape d’invisibilité. a )La cape (en bleu) est en verre
d’indice 1,78 elle mesure 30 cm de long sur 26 cm de large et a
une profondeur de 7 cm.
b)  Seule la cape est présente. c) Le chat plonge la tête dans le dispositif.
d) Le chat s’est installé dans la cape.  On remarque l’image du  papillon transmis par la cape comme à travers le corps du chat. Les lignes pointillées blanches indiquent
la limite du corps invisible du chat. La caméra qui a pris ces vues était derrière l’écran. Crédit Hongshen Chen

Crédit Hongsheng Chen

La vidéo suivante montre dynamiquement l’expérience de la figure 2 ci-dessus :

Crédit Hongsheng Chen.

 

La figure suivante (Fig. 3.) schématise, vue de dessus,  la coupe horizontale de la cape d’invisibilité utilisée  Fig.2  ci-dessus. On a figuré en noir les rayons de lumière, en pointillé rouge les fronts d’onde qui leur correspondent et leur sont perpendiculaires. Quatre des prismes sont identiques et de section isocèle, les deux autres sont identiques et de section équilatérale.

Fig.2. Vue de dessus en coupe d’une cape d’invisibilité à cavité rectangulaire obtenue à partir de 6 prismes en verre d’indice 1,78. La région cachée est en jaune. Tout corps qui y est plongé est invisible.

Fig.2. Vue de dessus en coupe d’une cape d’invisibilité à cavité rectangulaire
obtenue à partir de 6 prismes en verre d’indice 1,78. La région cachée est en jaune. Tout corps qui y est plongé est invisible.

 

Ces deux capes d’invisibilité restent visibles elles-mêmes et ne fonctionnent que pour certaines directions d’observations. Et cette simplification qu’ont proposée H. Chen et son équipe a eu le mérite de fournir un système qui peut dissimuler de gros objets appartenant au monde réel. Ces chercheurs proposent ainsi, en reconfigurant des assemblages de prismes,  de pouvoir rendre  un observateur invisible pour des applications de surveillance, de sécurité ou de spectacle

 

 

 

Pour en savoir plus : 

Natural Light Cloaking for Aquatic and Terrestrial Creatures,

Hongsheng Chen, Bin Zheng, Lian Shen, Huaping

Wang, Xianmin Zhang, Nikolay Zheludev, and Baile Zhang6

arXiv.1306.1780v1 [physics optics] 7 Jun 2013

Invisibility cloak hides cats and fish,

Nature, 11juin 2013