photodétecteur

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.

Un interprète dans une salle d'audience doit transmettre chaque mot sans se laisser distraire par le bruit ambiant. Dans le monde quantique, ce rôle est joué par un résonateur supraconducteur, qui doit perdre des photons selon un calendrier strict, sans dévier vers des effets parasites.

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.

La lumière frappe une cellule solaire — et à l'intérieur naissent des charges qui ont chaud. Comme un coureur après un sprint, elles transportent un excès d'énergie. Pour délivrer du courant dans le circuit extérieur, elles doivent refroidir et gagner les bords du cristal. Si le refroidissement traîne, une partie de l'énergie se perd en pure perte.

Attraper la lumière particule par particule, c'est comme entendre un murmure dans un atelier assourdissant. La caméra à multiplication d'électrons (EMCCD) en est capable : un photon unique qui atteint un pixel est transformé en avalanche d'électrons, mesurable ensuite.

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.

Une micropuce ressemble à un gâteau en couches : par-dessus, des couches protectrices, à l'intérieur, des secrets. Un intrus peut retirer les couches une à une pour atteindre les secrets. Le nouveau capteur surveille cela à l'aide d'un faisceau lumineux. Le faisceau frappe la surface de la puce sous un angle.

La durée de vie de la paire de triplets intriquée dans la protéine est d'environ 60 picosecondes, soit huit fois plus longue que dans une solution. La lumière du soleil est comme un flux continu de balles frappant un mur.

La rivière nocturne est parsemée d'infimes étincelles. Ce n'est pas du plancton, mais un pollen-capteur fonctionnel : un appareil millimétrique qui flotte seul et mesure lui-même la chimie de l'eau. Chaque particule est un petit laboratoire.

Chaque annihilation de positon ressemble à la naissance d'un couple de danseurs liés par un fil invisible de polarisation. Les deux rayons gamma s'éloignent, mais leurs états restent enchevêtrés : mesurer l'un détermine instantanément l'autre — comme si le partenaire ressentait chaque mouvement à n'importe quelle distance.

Une onde lumineuse ressemble à une corde que l'on secoue : elle oscille dans un plan précis. Cette propriété, la polarisation, renseigne sur la forme et la composition des objets. Mais la capter n'est pas simple, surtout si l'on veut couvrir une large gamme de couleurs. Habituellement, on assemble des systèmes encombrants de lentilles et de filtres.

Une source de photons ordinaire peut être comparée à l'entrée d'une boîte de nuit où un seul videur est posté. Il s'efforce de laisser entrer les clients un par un, mais parfois des couples se faufilent. Les physiciens appellent cela le problème de pureté : les photons doivent arriver strictement un par un, sinon les calculs quantiques déraillent.

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 est un flux de photons. Dans un guide d'ondes spécial, semblable à un couloir étroit, un atome « gardien » les laisse généralement passer un par un. Ce phénomène est étudié par la spectroscopie de particules uniques.

Un télescope solaire ressemble à un œil qui tenterait d'apercevoir une fourmi à travers une soupe bouillonnante. Le ciel diurne éblouit, l'air tremble, et l'image se brouille. Pour la figer, il faut une optique adaptative — un système qui devine les distorsions et les corrige des centaines de fois par seconde.

Un régiment de soldats défile sur la place d'armes. Tant que chacun suit le pas, le mouvement reste net et coordonné. Mais dès que quelqu'un casse le rythme, la cohésion se perd. Dans le monde microscopique, les électrons jouent ce rôle de troupe : lorsque leurs oscillations sont synchrones, la matière émet une raie fine et nette.

Deux musiciens dans des pièces différentes jouent la même note. Le son doit être si identique que l'auditeur ne puisse pas dire qui joue. Dans le monde quantique, ce rôle est tenu par les sources de photons uniques — des particules de lumière qui doivent être indiscernables les unes des autres.

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.

Une particule alpha est un noyau d'hélium émis lors de la désintégration d'atomes lourds. Lorsqu'elle frappe un cristal de nitrure de gallium, elle lui cède son énergie et génère une impulsion électrique. La hauteur de l'impulsion permet de connaître l'énergie de la particule.

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 enveloppe postale ordinaire a une forme rectangulaire, et la lettre qu'elle contient ne change pas les propriétés de l'enveloppe. Avec les photons – les particules de lumière – la situation est différente : leur « forme » dans le temps peut varier, et cette forme porte en elle-même de l'information.

À l'intérieur d'un fil de polymère ultrafin se trouvent des cristaux microscopiques, des scintillateurs. Lorsqu'une particule radioactive invisible les frappe, ils s'illuminent brièvement, comme des lucioles. Un capteur sensible capte chaque flash, transformant le fil en détecteur flexible.

Une antenne ordinaire capte les ondes radio, mais il existe des champs qu'elle perçoit à peine. Il s'agit des champs électriques lents, qui varient une fois par seconde ou moins. Pour eux, des physiciens ont construit un capteur à partir d'un faisceau d'atomes de rubidium.

L'eau ordinaire dans un verre est transparente et calme. Mais si on y ajoute de minuscules points de carbone, fabriqués à partir de sucre et d'acide citrique dans un micro-ondes classique, l'eau se met à briller lorsqu'une particule chargée la traverse.

La lumière infrarouge est invisible à l'œil, mais elle est partout : de la télécommande du téléviseur à la chaleur du corps humain. Pour la capturer, il faut des matériaux spéciaux. Les détecteurs classiques sont encombrants, rigides et difficiles à accorder sur la longueur d'onde souhaitée.

La nuit, dans une pièce sombre, le corps humain émet une lueur à peine perceptible. Cette lumière est si faible que seuls des instruments très sensibles peuvent la capter. Certains scientifiques ont pensé qu'une telle lueur émanant de la tête pourrait révéler le fonctionnement du cerveau — sans tomographes ni fils. Mais la vérification a montré autre chose.

La lumière dans une fibre optique est un flux de photons, et pour la communication quantique, il faut des photons uniques, que l'on peut envoyer un par un. Mais les faire sortir rapidement tout en les rendant indiscernables est un défi.

La matière noire, cette masse invisible qui maintient les galaxies ensemble. Sa nature est inconnue, mais l'un des candidats probables est l'axion, une particule ultra-légère qui interagit à peine avec la matière. Pour l'attraper, des physiciens ont créé un piège hybride.

À l'hôpital, le sang prélevé au bout du doigt part généralement au laboratoire, et le résultat arrive le lendemain. La nouvelle méthode promet de réduire ce délai à quelques minutes.

La minuscule algue verte chlamydomonas passe sa vie à ramer vers la lumière avec ses deux flagelles, comme un nageur vers le rivage. Elle perçoit la lumière grâce à une protéine photoréceptrice, et derrière celle-ci se trouve une petite tache rouge – l'« œil » – qui projette une ombre et aide à comprendre d'où vient la lumière.

Dans une ampoule ordinaire, la lumière naît lorsqu'un électron et un trou se rencontrent. Dans le nouveau matériau, on les sépare délibérément, comme si on plaçait entre eux un tourniquet de métro.

Un point lumineux de la taille d'une molécule. On y fait passer un courant, et elle s'illumine comme une minuscule ampoule. Voilà à quoi ressemble l'expérience avec des molécules de colorant déposées sur une fine pellicule de sel. Lorsque le courant atteint la molécule, un électron lui cède de l'énergie. La molécule restitue aussitôt cette énergie sous forme de lumière.

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.

Le ciel nocturne n'est pas si sombre que ça. Même loin des villes, il émet une faible lueur — ce qui gêne les astronomes pour attraper les faibles éclairs provenant des rayons cosmiques lointains.

L'univers est maintenu par une charpente invisible de matière noire. Peut-être qu'une partie de celle-ci est constituée de photons sombres, des copies fantomatiques de la lumière qui traversent la matière.

Une caméra qui ne capture pas la lumière mais un flux d'électrons réfléchis par un cristal, c'est un détecteur hybride à pixels. Il sait compter chaque électron qui l'atteint, en ne générant presque aucun bruit propre. En mode normal, lorsque le faisceau d'électrons s'écoule en continu, le détecteur fonctionne parfaitement.

Une cellule solaire ordinaire fait une seule chose : quand le soleil brille, le courant circule. Ici, le soleil brille, mais le courant circule différemment selon le côté où l'on approche l'aimant.

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.

Un capteur de lumière ordinaire, c'est comme un puits à manivelle : pour remonter le seau, il faut tourner la poignée. De même, un photodétecteur a besoin d'une tension externe pour extraire la charge électrique. Mais il existe des matériaux qui convertissent eux-mêmes la lumière en courant — comme une source qui jaillit sans pompe.

La lumière d'une ampoule ordinaire est un flux de photons individuels, comme des gouttes qui tombent d'un robinet. Mais il existe une lumière où les photons vont par paires, comme des jumeaux qui marchent ensemble. Cette lumière groupée, on souhaitait depuis longtemps l'utiliser pour mesurer des distances et photographier des objets cachés derrière un coin.