imagerie spectroscopique à haute vitesse

La cible gazeuse ressemble à un entonnoir : plus ses parois sont raides, plus le flux est important. Seulement, dans cet entonnoir, ce n'est pas de l'eau qui s'écoule, mais de la lumière ultraviolette, qui naît lorsqu'une impulsion laser puissante traverse un nuage d'argon.

Un faisceau laser frappe une fine cible cachée à l'intérieur de couches d'un autre matériau. En quelques milliardièmes de seconde, la matière est comprimée jusqu'à une densité de 25 grammes par centimètre cube — c'est comme si un morceau de plomb devenait plus de deux fois plus lourd tout en restant en place.

La lumière d'une étoile, en traversant l'atmosphère et l'optique du télescope, tremble comme les reflets du soleil sur l'eau. Dans ces ondulations se cachent les planètes — de faibles étincelles à côté d'une lumière éblouissante. Pour les voir, il faut figer les ondulations : rendre la lumière aussi lisse que du verre.

Une protéine dans la cellule n'est pas une sculpture figée, mais un mécanisme agité. Ses pièces vibrent sans cesse, et ce sont ces mouvements qui déterminent comment elle capture des molécules, transmet des signaux ou construit le squelette cellulaire. Mais filmer la vie d'une seule protéine se heurtait à deux interférences.

La caméra à pixel unique évoque un artiste qui peint à travers un pochoir percé de nombreux trous. Chaque prise de vue ne laisse passer qu'une partie du flux lumineux, puis l'ordinateur assemble ces fragments pour reconstituer une image complète. Autrefois, l'ordre des masques était immuable, comme si l'artiste utilisait toujours le même pochoir sans jamais regarder son sujet.

Une protéine dans la cellule n'est pas une sculpture figée. Elle bouge sans cesse : elle se plie, respire, tremble. Ce mouvement, que l'on appelle dynamique, détermine le fonctionnement de la protéine. Mais observer cette danse directement est difficile, et la modélisation informatique exige souvent d'énormes puissances de calcul.

La caméra d'un smartphone filme tout, tandis que l'œil saisit immédiatement l'essentiel. La rétine ne se contente pas de transmettre l'image au cerveau : sur place, elle accentue les contours, atténue le bruit superflu et s'ajuste à la luminosité.

La scène est éclairée par des projecteurs, mais les événements les plus intéressants se déroulent dans l'ombre, là où se cachent des molécules invisibles à l'œil nu. La nouvelle caméra capte la chaleur de ces « invisibles » et la transforme en lumière ordinaire.

Une goutte d'eau dans la paume de la main — environ $$10^{21}$$ molécules, chacune composée de trois atomes entourés d'un essaim d'électrons. Pour comprendre comment se comporte la matière, les physiciens résolvent des équations pour ces électrons. Le problème, c'est que le nombre d'équations croît de manière avalancheuse : pour N électrons, il faut stocker $$N^2$$ nombres.

Un appareil de radiographie à grilles ne prend pas une, mais trois photos d'un coup : un cliché classique, une carte des courbures invisibles du faisceau et une image des structures minuscules qui diffusent la lumière. Ensemble, elles aident à repérer, par exemple, l'emphysème ou la fibrose pulmonaire. Mais il y a un hic : pour séparer ces trois couches, il faut une astuce mathématique.

Un lidar ordinaire ressemble à un peintre qui dessine un paysage mais ne voit que des ombres grises. Il mesure précisément la distance de chaque point, mais ne peut pas dire ce que c'est : pierre, bois ou plastique. Pour connaître la composition, il faut un spectromètre — un appareil séparé, lent, qui n'arrive pas à suivre le rythme d'un scanner rapide.

Un faisceau de rayons X est un flux de minuscules paquets d'énergie, les photons. Les détecteurs ordinaires les comptent mais ne distinguent pas les nuances : deux photons d'énergie proche sont identiques pour eux. Le nouvel instrument fonctionne comme un thermomètre sensible : il capture chaque photon et mesure à quel point il a chauffé une fine membrane.

Le laser frappe le cristal, et celui-ci répond par des éclairs de lumière, comme une cloche qui sonne quand on la frappe. Mais si la cloche est chaude, son son tremble et s'étouffe.

Un cuisinier le sait : que la pâte colle ou non à la poêle dépend de ce qui se passe à la frontière entre deux milieux. Pour les métaux en fusion, cette frontière est longtemps restée invisible — au-dessus de 200 °C, impossible de distinguer des atomes individuels.

Fine comme une toile d'araignée, une pellicule de cinq métaux a encaissé le choc du laser. À l'intérieur, la pression a grimpé jusqu'à 55 gigapascals — c'est comme si cent éléphants se tenaient sur un ongle. L'alliage a tenu le coup et s'est comprimé pendant une fraction de nanoseconde, sans se briser.

Une caméra ordinaire filme le monde comme une série d'images : vingt-quatre, soixante, voire cent images par seconde. Pour filmer une goutte qui tombe, cela suffit, mais à l'intérieur d'une cellule vivante, les événements se déroulent mille fois plus vite.

Le laser fait fondre la poudre métallique couche par couche, et dans le bain bouillonnant, des bulles de vapeur apparaissent et s'effondrent en quelques millisecondes. Impossible auparavant de voir cette cuisine en action : le tomographe à rayons X, qui produit des images tridimensionnelles, est trop lent.

Deux faisceaux laser, comme deux crayons, tracent une échelle invisible sur le mur. L'une des pointes se déplace un peu plus vite que l'autre, et selon que leurs traits coïncident ou divergent, on peut calculer la distance au mur avec une précision de l'épaisseur d'une toile d'araignée.

La radiographie évoque généralement un appareil encombrant à l'hôpital. Pourtant, une telle image peut être obtenue avec un dispositif de la taille d'une paume, assemblé à partir de composants d'électronique amateur. Les auteurs de l'étude ont utilisé un mini-ordinateur Raspberry Pi, une caméra de 12,3 mégapixels et un écran qui s'illumine sous les rayons X.

La lumière, en traversant une lentille, se courbe légèrement. Pour un ordinateur optique, c'est comme un miroir déformant pour un peintre : l'image est là, mais les détails flottent. La machine d'Ising à base de rayons lumineux résout des problèmes comme la répartition des bagages ou l'itinéraire d'un livreur.

Le laser dont il est question n'est pas un mince faisceau, mais une véritable piste de course pour la lumière. Dans la fibre optique, deux impulsions ultracourtes se déplacent : l'une dans le sens horaire, l'autre dans le sens antihoraire. Chaque impulsion est un éclair unique d'une durée de quelques milliardièmes de seconde.

Un appareil à rayons X chez le dentiste prend une seule image plane de la dent. Mais pour voir l'intérieur d'une micropuce sous tous les angles, il faut emmener l'échantillon sur un synchrotron — un accélérateur de la taille d'un terrain de football.

Dans l'obscurité, une minuscule étincelle jaillit. Un rayon gamma, né à l'intérieur du corps d'un patient, frappe un cristal et y libère une gerbe de lumière. La mission du détecteur : comprendre où exactement cela s'est produit. Plus la réponse est précise, plus l'image sur l'écran du tomographe est nette.

Une caméra thermique classique ressemble à un thermomètre qui chauffe et refroidit lentement. Elle montre bien où se trouve la chaleur, mais ne suit pas les mouvements rapides. Le nouveau capteur fonctionne autrement : il compte les quanta de chaleur individuels, comme un compteur de gouttes pendant une averse.

Une imprimante 3D classique extrud du plastique comme un pâtissier poche de la crème. Ici, au lieu du plastique, c'est la lumière. Un faisceau laser dessine dans une résine liquide, la faisant durcir aux points voulus. Ainsi naissent des pièces invisibles à l'œil nu. Jusqu'ici, ces imprimantes étaient lentes : le faisceau rampait sur la surface comme une plume sur le papier.

Les cellules respirent. Elles ont besoin d'oxygène et le prélèvent dans le sang qui circule dans les vaisseaux les plus fins. Si le flux sanguin est faible ou si l'oxygène manque, les cellules commencent à suffoquer. Pour les médecins, il est crucial de le voir le plus tôt possible.

L'oxyde de vanadium est un matériau qui peut être soit isolant (ne conduisant pas le courant), soit conducteur comme un métal. La bascule prend des trillionièmes de seconde, et l'on souhaite construire des dispositifs électroniques ultrarapides sur cette base. Mais comment cela se produit-il exactement ? Cela est resté longtemps une énigme.

Certaines supernovae superlumineuses supernovae montrent une forte signature de l'oxygène dans leur lumière et se dilatent rapidement, d'autres non. On aurait dit des phénomènes différents.

Un aimant de frigo tient grâce à de minuscules aiguilles internes, chacune comme une boussole miniature. Si l'on frappe le métal avec une impulsion lumineuse ultra-courte, ces aiguilles se mettent à tournoyer de manière chaotique, et le magnétisme fond en un millionième de milliardième de seconde. Autrefois, une telle « fonte » était trop rapide pour être observée.

Le faisceau d'une lampe de poche frappe une vitre irrégulière — et sur le mur apparaît un motif tacheté de points clairs et sombres. Autrefois, un tel motif était considéré comme un bruit inutile. Désormais, on l'utilise pour reconstituer une image en volume. Dans le nouveau système, la lumière provenant de l'objet traverse une plaque spéciale dont les irrégularités sont connues.