La lumière est au cœur des recherches menées à l’Institut Lumière Matière. Focus sur quelques-unes d’entre elles en 2022.
Depuis toujours, la lumière attire le regard des scientifiques. Source primaire d’information sur le monde qui nous entoure, les premiers savants grecs s’interrogeaient déjà sur sa nature. La lumière émane-t-elle de notre œil ou de l’objet que l’on regarde ? Puis, domestiquée au fil des siècles, l’utilisation de la lumière en sciences a ouvert la voie à l’exploration du monde dans toutes ses dimensions – de l’infiniment petit à l’infiniment grand. Une maîtrise technique qui s’illustre aussi au cours d’événements artistiques. Ainsi, en décembre dernier, les rues, les murs et édifices de Lyon s’illuminaient à nouveau aux couleurs de la Fête des lumières. Un conte mexicain sur la façade du Musée des Beaux-Arts, un jeu de lumières au parc Blandan, ou un mapping envoûtant sur la cathédrale St Jean… Autant d’animations résultant de cette alliance entre création artistique et progrès scientifiques qui nous font mieux appréhender ce qu’est la lumière.
La physique moderne en a révélé de nombreuses facettes. Aujourd’hui on comprend mieux ses propriétés et on sait la décrire à la fois comme une onde électromagnétique et comme une particule – le photon. Mais que nous reste-t-il encore à découvrir sur la lumière ? Retour sur quelques-unes de ces recherches en lien avec la lumière en cours en 2022 à l’Institut Lumière Matière.
La lumière au cœur de la matière
Depuis l’ampoule de Thomas Edison, le développement des semi-conducteurs – moteur des lampes électroluminescentes (LED) – a repoussé les limites en matière de basse consommation et de miniaturisation. La taille des lampes atteint aujourd’hui celle d’une cellule humaine – un millième de millimètre – et des millions d’entre elles composent nos écrans. C’est aussi ce qui permet des prouesses comme Iris, projetée sur la Cathédrale St jean pendant la Fête des lumières et sacrée trophée des Lumières de l’édition 2021.
Mais en manipulant la matière à des échelles encore plus petites, la recherche offre de nouvelles perspectives. Julien Houel (MC Lyon 1) et Benoit Mahler (CR CRNS) à l’Institut Lumière Matière ont mis au point des systèmes à base de nano-particules émettrices de photons uniques, élément fondamental pour le transport quantique. La génération de ces photons uniques est notamment recherchée pour le développement de l’ordinateur et de l’internet quantique.
L’interaction entre certaines molécules et la lumière offre également de nouvelle possibilités dans des domaines comme l’énergie. Ainsi, il est possible de produire de l’hydrogène à partir du rayonnement solaire par photocatalyse. Seulement, « nous n’arrivons à exploiter qu’une infime partie du spectre solaire. Tout le travail effectué par Gilles Ledoux [directeur de recherche CNRS à l’ILM] sur les matériaux dits à up-conversion consiste à transformer la lumière « inutile » du soleil en photons efficaces pour ce type d’applications » explique Christophe Dujardin, Professeur à l’Université Lyon 1 et directeur de l’équipe Luminescence à l’ILM.
La lumière est également à même de façonner la matière. Lorsque qu’une puissante impulsion laser interagit avec un matériau cible, elle le vaporise. On peut s’en servir pour le graver, le découper, mais si la cible est plongée dans un liquide, alors la matière éjectée, formant un plasma, se retrouve confinée dans une bulle, à même de produire des nanoparticules du matériau ablaté. C’est le travail que poursuit David Amans, Maître de conférence à l’Université Lyon 1, pour contrôler la synthèse de ces nanoparticules mais également comprendre leurs mécanismes de formation.
La lumière à des temps ultra-courts
Dans les années 80, un laser dit impulsionnel, qui produit de très brèves impulsions de lumière, a permis de sonder la matière à des échelles de temps ultra-courtes, de l’ordre de la femtoseconde (une durée un million de milliard de fois plus courte qu’une seconde !), d’où le nom de laser femtoseconde. Mais à l’ILM, des chercheurs vont aujourd’hui plus loin. Dans l’équipe Structure & Dynamique Multi-échelle des Édifices Moléculaires (Dynamo), dirigée par Franck Lépine, Vincent Loriot (MC Lyon 1), développe un générateur d’impulsions attosecondes, l’unité de temps la plus petite à avoir jamais été mesurée (mille fois plus court qu’une femtoseconde).
A cette échelle temporelle, il devient par exemple possible de suivre le mouvement d’un électron. Car si la mécanique quantique fournit une description théorique précise du mouvement des particules, celui de l’électron n’a jusqu’alors jamais été observé expérimentalement. En manipulant la lumière à l’échelle de l’attoseconde, cela devient possible. Les scientifiques seront à même de valider les prédictions de la mécanique quantique et d’en tester la validité à ces temps incroyablement brefs.
La couleur sans filtre et sans pigment
Il suffit de seulement trois couleurs, le bleu, le vert et le rouge, pour reproduire toutes les nuances de couleurs imaginables. Mais si nous savons produire de bonnes sources de lumière dans le bleu et le rouge à bas coût, ce n’est pas le cas du vert. Aujourd’hui, celui que nous voyons par exemple sur la plupart de nos écrans est obtenu à partir d’une lumière blanche filtrée. « L’idée serait d’avoir trois sources de ces couleurs primaires, qui se combineraient pour générer toutes les palettes de couleurs possibles » explique Christophe Bonnet, MC à Lyon 1 et chercheur à l’Institut Lumière Matière. Une limite qui pourrait être levée avec la technologie OLED, commercialisée depuis 2017. Il serait alors possible, par exemple, d’avoir des couleurs plus contrastées, ou utilisables sur des écrans souples comme du tissu.
Dans un autre domaine, le monde des couleurs fait également se rencontrer physique et peinture. La chercheuse Anne Pillonnet et l’artiste Anne Goyer ont ainsi collaboré pour comprendre comment produire en peinture une couleur bleue sans pigment. Ce bleu « physique », que Léonard de Vinci lui-même aurait peut-être évoqué dans ses carnets, est le résultat d’un phénomène physique qu’Anne Pillonnet a caractérisé à l’ILM, et que la peintre Anne Goyer a par la suite ré-exploité dans ses œuvres.
La dualité onde/corpuscule
Au-delà de ces vastes domaines d’applications, certaines questions théoriques continuent aussi de tourmenter les scientifiques. On connait aujourd’hui la double nature de la lumière : d’une part c’est une onde électromagnétique, d’autre part c’est une particule, le photon. La mécanique quantique nous apprend – c’est l’un de ses postulats – que la lumière se comporte tantôt comme l’une, tantôt comme l’autre, selon la façon dont on l’observe. C’est le paradoxe du chat de Schrödinger : le chat est à la fois vivant et mort avant d’ouvrir la boite (nature ondulatoire définie par des probabilités), mais lorsqu’on regarde à l’intérieur de la boite, il n’y a qu’un corps, soit vivant soit mort (nature corpusculaire). Cette dualité onde – corpuscule n’est pas propre à la lumière mais a aussi été démontrée pour les particules de matière. Seulement, comment expliquer ce passage de l’une à l’autre ? Si les modèles permettent de décrire la lumière comme une onde et comme une particule, certains paradoxes sur la mesure subsistent de cette double nature qu’aucun modèle satisfaisant ne semble en mesure d’expliquer actuellement.
La lumière, encore un long chemin à parcourir
Qu’il s’agisse de créer des émetteurs toujours plus efficaces, d’en avoir une utilisation toujours plus fine pour révéler de nouveaux phénomènes ou de comprendre sa nature profonde, la science n’en a donc pas fini avec la lumière. Ce qui est certain, c’est que la lumière est inséparable de la matière, et c’est là l’un des leitmotivs de l’Institut Lumière Matière. « Toute la question est de savoir à quel point nous savons exploiter la lumière dans les domaines spatial et temporel et dans ses interactions avec la matière » conclue Christophe Bonnet.
Bref, la lumière n’a pas fini d’émerveiller, que ce soit dans les rues de Lyon ou dans les laboratoires.
Crédits photographie – Eric le Roux