dispositif optoélectronique

Une fine couche mince de nickelate de néodyme, épaisse de quinze nanomètres, repose sur un substrat de gallate de néodyme. En dessous de cent quatre-vingts kelvins, elle se comporte comme un isolant : les électrons sont enfermés dans leurs cellules atomiques et ne peuvent pas se déplacer librement.

Dans une pièce sombre, on peut maintenir une sphère lumineuse sans la toucher : les parois de rayons repoussent sans brûler. C'est à peu près le principe du piège assemblé à Rio de Janeiro pour des cellules de levure.

La lumière dans une fibre optique ressemble à un ruisseau : elle coule à l'intérieur du fil de verre et ne déborde pas. Un fil épais laisse passer plusieurs ruisselets à la fois, un fil fin n'en laisse passer qu'un seul. Les astronomes ont souvent besoin de transvaser la lumière d'un fil épais dans plusieurs fils fins pour la décomposer en couleurs.

Un faisceau laser ordinaire va tout droit, comme la lumière d'une lampe de poche. Mais on peut enrouler la lumière en spirale — comme le filet d'un tire-bouchon. Un tel faisceau porte un moment angulaire orbital : il ne se contente pas d'éclairer, il fait tourner tout ce qu'il rencontre.

Un faisceau lumineux se déplace généralement en ligne droite, mais on peut le faire tourner autour de son axe, comme l'eau qui tourbillonne dans un entonnoir lorsqu'elle s'écoule. Cette lumière « vortex » transporte davantage d'informations et est indispensable pour les communications ultra-rapides et le calcul quantique.

Les électriciens qui travaillent sur les hautes tensions ressemblent à des plongeurs : ils doivent voir ce qui se passe au fond de l'eau sans y descendre eux-mêmes. Pour cela, il faut un capteur placé à l'écart du courant dangereux et qui transmet l'information vers la surface.

Un paquet de cartes à jouer repose, immobile. On peut glisser un doigt sous la carte du dessus et la faire glisser — c'est une intervention brutale. On peut aussi souffler de façon que tout le paquet se déforme un instant sans que les cartes s'éparpillent. C'est à peu près ainsi que la lumière, dans la nouvelle expérience, réorganise le cristal de séléniure d'étain (SnSe).

Les matériaux électroluminescents à base de molécules organiques ressemblent à un carrefour animé sans feu de signalisation. Les molécules reçoivent de l'énergie, mais au lieu de la restituer honnêtement sous forme de lumière, elles s'engagent souvent dans des impasses : elles forment des paires sombres (des exciplexes — des complexes de courte durée de vie sans émission) ou entrent en…

Les capteurs passifs communiquent en réfléchissant les ondes radio, telle une écho. L'économie d'énergie est évidente, mais la multitude de réflexions se fond en bouillie. Cela rappelle un chœur où chaque choriste répète sa partie sans chef d'orchestre. La nouvelle approche donne à chaque capteur un rythme particulier — un code numérique.

Un électrolyte solide n'est pas qu'un simple réseau cristallin, c'est une véritable métropole animée pour les ions. Chaque acte de conduction ressemble à un trajet à travers la ville : il y a de larges autoroutes à faible barrière énergétique, des embouteillages inextricables dans les goulots d'étranglement et des détours piégeux où un ion peut rester coincé.

Un interrupteur qui sait tout seul dans quel sens laisser passer le courant. C'est ainsi que fonctionne une diode Josephson : un pont supraconducteur où le courant circule volontiers dans un sens, mais bute dans l'autre. Dans cette nouvelle étude, un tel pont a été réalisé en graphène, une feuille de carbone d'un seul atome d'épaisseur.

Une diode classique en électronique fonctionne comme une route à sens unique : le courant ne circule que dans un seul sens. Dans les supraconducteurs, où l'électricité circule sans résistance, un tel comportement est resté longtemps difficile à obtenir — le courant est généralement symétrique.

Un détecteur ordinaire de photométrie ne fait pas la différence entre un photon venant de gauche et un autre venant de droite. Mais dès qu'il se met en mouvement, tout change. Imaginez un batelier qui rame entre deux joueurs de flûte jouant la même note.

La lumière laisse une trace, même lorsqu'elle est presque absente. Un photon isolé — un minuscule paquet d'énergie — tombe sur une plaquette de silicium et en arrache une poignée d'électrons. Le problème, c'est que cette poignée est trop petite pour être remarquée. Il faut un amplificateur.

Un laser classique ressemble à un orchestre dont les musiciens doivent s'échauffer avant de jouer à l'unisson. Il faut d'abord pomper assez d'énergie dans les atomes pour qu'ils se « retournent » et soient prêts à émettre de la lumière – c'est ce qu'on appelle l'inversion de population. Ce n'est qu'alors que le faisceau jaillit.

Un capteur de lumière ordinaire répond à la question « combien de lumière », mais pas « d'où vient-elle ». Pour cela, on installe des lentilles, des miroirs ou des matrices entières. Dans ce nouveau travail, les chercheurs proposent un capteur qui, sans aucune optique, détermine lui-même la direction du faisceau.

Une lampe de poche éclaire l'œil, et la rétine répond par des impulsions électriques – comme un écho, mais lumineux plutôt que sonore. On peut enregistrer cet écho, et il nous renseigne non seulement sur l'œil, mais aussi sur le cerveau. Car la rétine est un morceau de cerveau qui a été sorti à l'extérieur.

Un fil de cuivre frappé par un laser, c'est une cuisine où le chef allume la cuisinière tout en surveillant le chronomètre. Les atomes de cuivre se mettent à danser, perdant l'ordre du réseau cristallin, et les électrons, comme des serveurs dans la salle, ressentent immédiatement le changement. Mais combien de désordre faut-il pour qu'ils le remarquent ?

Les pixels bleus des écrans sont comme des ampoules qui grillent vite. Les diodes électroluminescentes organiques classiques pour le bleu sont instables : leur lumière faiblit avec le temps et la teinte dérive. Les chimistes ont trouvé une alternative : l'europium, un métal rare.

Une clé USB classique stocke des bits dans des pièges à électrons, mais on ne peut les lire qu'à travers un fil et un amplificateur séparés. Dans cette nouvelle avancée, un même morceau de tellure semi-métallique joue à la fois le rôle de stockage et de lampe.

La lumière peut transporter l'information plus vite que n'importe quelle électronique. Mais habituellement, entre l'ordinateur et le laser se trouve un convertisseur numérique-analogique, un dispositif qui transforme les zéros et les uns en signaux électriques. C'est lui qui ralentit tout le processus. Le nouvel émetteur se passe de cet intermédiaire.

Une lentille ordinaire réfracte toujours la lumière de la même manière. Ses propriétés sont figées dans le verre pour toujours. Mais voici qu'apparaît une surface qui change les règles du jeu en pleine action. Des scientifiques ont fabriqué un film extrêmement mince avec des éléments résonants et l'ont imprégné de cristaux liquides — la même substance que celle des écrans de téléphone.

Dans une molécule semblable à la chlorophylle et construite à partir de carbone, un atome métallique en son centre agit comme un interrupteur. En le déplaçant de quelques fractions de nanomètre, on peut faire briller la molécule, l'éteindre ou amplifier sa luminosité des centaines de fois.

Dans un cristal de titanate de baryum règne un champ électrique interne — comme un aimant permanent, mais pour les charges. Quand une impulsion lumineuse le frappe, elle arrache des électrons qui se mettent à s'agiter, percutant les atomes.

Le cristal de séléniure de bismuth (Bi₂Se₃) est en soi symétrique, comme un sandwich soigneusement assemblé : retournez-le, et rien ne change. Mais il suffit de faire légèrement pivoter une couche par rapport à l'autre pour que la symétrie se brise. Le matériau se met alors à « sentir » d'où vient la lumière et répond par un courant électrique.

Un faisceau laser régulier, c'est comme une corde tendue : si elle vibre ne serait-ce qu'un peu, la musique devient cacophonie. Dans un ordinateur quantique, le laser maintient les atomes dans un piège, et toute vibration de fréquence casse le calcul.

Les ondes radio nous entourent, mais notre œil ne les voit pas. Ce nouveau capteur, de la taille d'un ongle, les transforme en une tache colorée sur un petit écran. À l'intérieur de la puce se trouve une couche de cristaux liquides, ceux-là mêmes que l'on trouve dans les écrans de téléphone. Parmi eux sont tissés de fins fils ferromagnétiques.

Une diode à semi-conducteur ne laisse normalement passer le courant que dans un sens, comme une porte à ressort : elle s'ouvre facilement dans un sens, mais bute dans l'autre. Mais si l'on sature fortement le cristal d'impuretés, la porte se met à se comporter bizarrement : sous tension inverse, le courant ne se contente pas de passer, il grimpe en flèche.

La lumière d'une étoile met des millions d'années à nous parvenir, mais dans un télescope, elle apparaît toujours comme un point — trop loin. Pour voir la surface d'une étoile, il faudrait un instrument de la taille d'une ville. Au Chili, un tel géant est déjà en construction : ELT, avec un miroir de 39 mètres, assemblé à partir de 798 segments hexagonaux.

La lumière n'est pas simplement un rayon, c'est une onde dont le champ électrique varie à une vitesse inimaginable pour nos horloges ordinaires. Jusqu'à présent, on ne pouvait mesurer ce champ qu'en un seul point, comme on mesure la température avec un seul thermomètre.

Les sources modernes de rayons X ressemblent à un orchestre sans chef : les électrons du faisceau volent chacun de son côté, et le rayonnement qui en résulte est flou. La nouvelle idée est de faire en sorte que les électrons s'alignent en rangées régulières avec un pas de quelques nanomètres. Ainsi, la lumière qu'ils émettent devient cohérente, comme un faisceau laser.

Un faisceau laser frappe la peau, et les tissus répondent par un écho ultrasonore à peine audible. Grâce à cet écho, les médecins voient les vaisseaux et les tumeurs sans incision. Mais avant que l'image n'apparaisse à l'écran, il faut débarrasser le signal du bruit — comme un cuisinier écume le bouillon pour le rendre clair.

Un thermos rempli de xénon liquide, refroidi à moins cent degrés. À l'intérieur, des capteurs sensibles qui détectent de rares signaux de particules de matière noire. Pour faire sortir ces signaux, on utilise généralement des câbles en cuivre.

Dans l'océan, il arrive qu'une vague solitaire géante surgisse de nulle part et disparaisse. Ces vagues scélérates sont rares mais dangereuses. Des sursauts rares et intenses similaires existent dans d'autres systèmes, des marchés financiers aux lasers. Le problème est qu'ils sont difficiles à prédire et encore plus à provoquer sur commande.

Sur une paillasse de laboratoire, une pince optique — une main invisible qui maintient en l'air une sphère de verre de la taille d'une bactérie. À côté, une cavité à miroirs où la lumière rebondit entre deux parois réfléchissantes.

Une imprimante qui n'utilise pas d'encre mais du métal et de la céramique, c'est désormais une réalité. Des scientifiques ont pris une simple goutte d'eau contenant des sels métalliques dissous et l'ont amenée à déposer sur une surface tantôt du cuivre, tantôt de l'oxyde de zinc, tantôt de l'hydroxyde de nickel.

La lumière ne voyage pas toujours en ligne droite. Son onde peut être tordue en spirale, comme le jet d'eau d'un tuyau que l'on fait tourner rapidement. Cette torsion est appelée moment angulaire orbital, et on peut y cacher des informations : chaque spire est comme un canal de communication distinct.

Un faisceau laser traverse une cuve en verre contenant de la vapeur de rubidium, et la façon dont les atomes absorbent la lumière révèle leur température. C'est comparable à la mesure de la vitesse des voitures par le flou d'une photo : plus les atomes se déplacent vite, plus la raie d'absorption s'élargit.

Dans l'air des ateliers d'usine et des laboratoires flottent des molécules de solvants invisibles. L'un d'eux, l'acétonitrile, a une odeur faible, mais à forte concentration, il nuit à la santé. Les détecteurs classiques sont encombrants et coûteux, alors qu'ici, une fine pellicule cristalline réagit d'elle-même à l'apparition des vapeurs.

Chaque respiration et chaque contraction musculaire reposent sur un flux d'électrons qui traverse les protéines à l'intérieur des cellules. Ces protéines ne sont pas statiques : elles changent constamment de forme, comme un ressort qui se comprime et se détend.