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QU'EST-CE QU'UNE PARTICULE ? (LES INTERACTIONS DES PARTICULES)

 

 

 

 

 

 

 

QU'EST-CE QU'UNE PARTICULE ? (LES INTERACTIONS DES PARTICULES)

Réalisation : 27 juillet 2000 - Mise en ligne : 27 juillet 2000
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Descriptif
En principe, une particule élémentaire est un constituant de la matière (électron par exemple) ou du rayonnement (photon) qui n'est composé d'aucun autre constituant plus élémentaire. Une particule que l'on croit élémentaire peut par la suite se révéler composée, le premier exemple rencontrée ayant été l'atome, qui a fait mentir son nom dès le début du XXe siècle. Nous décrirons d'abord l'état présent des connaissances, résultat des quarante dernières années de poursuite de l'ultime dans la structure intime de la matière, de l'espace et du temps, qui ont bouleverse notre vision de l'infiniment petit. Puis, nous essaierons de conduire l'auditeur dans un paysage conceptuel d'une richesse extraordinaire qui nous a permis d'entrevoir un peuple d'êtres mathématiques - déconcertants outils permettant d'appréhender des réalités inattendues - et dans lequel de nombreuses régions restent inexplorées, où se cachent sans doute des explications sur la naissance même de notre univers.


Documents pédagogiques

Texte de la 208e conférence de l’Université de tous les savoirs donnée le 27 juillet 2000.Qu'est-ce qu'une particule élémentaire?par André NeveuIntroduction De façon extrêmement pragmatique, une particule élémentaire est un constituant de la matière (ou du rayonnement) qui ne nous apparaît pas comme lui-même composé d'éléments encore plus élémentaires. Ce statut, composé ou élémentaire, est à prendre à un instant donné, et à revoir éventuellement avec l'affinement des procédés d'investigation. Mais il y a plus profond dans cet énoncé : chaque étape de l'investigation s'accompagne d'une interprétation, d'une recherche d'explication sur la manière dont ces particules interagissent pour former des entités composées à propriétés nouvelles, c'est à dire d'une construction théorique qui s'appuie sur des mathématiques de plus en plus abstraites, et qui, au cours de ce siècle, a contribué à plusieurs reprises au développement de celles-ci. Le long de cette quête d'une construction théorique cohérente, des problèmes peuvent apparaître, qui conduisent à la prédiction de particules ou d'interactions non encore découvertes, et ce va et vient entre théorie et expérience également raffinées où chacune interpelle l'autre, n'est pas le moins fascinant des aspects de cette quête de l'ultime. Aspect qui se retrouve d'ailleurs dans bien d'autres domaines de la physique. C'est là qu'est la vie de la recherche, plus que dans la construction achevée : les faits nous interpellent et à notre tour nous les interpellons. Où en sommes-nous aujourd'hui ? Une brève descente dans l'infiniment petit Comme chacun sait, la chimie et la biologie sont basées sur le jeu presque infini de molécules constituées d'atomes. Comme l'étymologie l'indique, on a cru ceux-ci élémentaires, et, effectivement, pour la chimie et la biologie, on parle toujours à juste titre d'éléments chimiques, oxygène, hydrogène, carbone, etc. L'ordre de grandeur de la dimension d'un atome est le dix milliardième de mètre. Depuis le début du siècle, on sait que chaque atome est formé d'électrons autour d'un noyau, cent mille fois plus petit que l'atome. Le noyau est lui-même constitué de protons et de neutrons liés entre eux par des forces de liaison nucléaires mille à dix mille fois plus grandes que les forces électrostatiques qui lient les électrons au noyau. Alors que les électrons restent à ce jour élémentaires, on a découvert il y a quarante ans environ que les protons et les neutrons eux-mêmes sont composés de quarks liés entre eux par des forces encore plus grandes, et nommées interactions fortes à ce titre (en fait, elles sont tellement fortes qu'il est impossible d'observer un quark isolé). Au cours de cette quête des cinquante dernières années, à l'aide principalement des grands accélérateurs comme ceux du CERN, on a découvert d'autres particules, neutrinos par exemples et des espèces d'électrons lourds (muon et lepton τ), et diverses espèces de quarks, la plupart de durée de vie extrêmement courte, leur laissant, même à la vitesse de la lumière, à peine le temps de faire une trace de quelques millimètres dans les appareils de détection, et aussi les antiparticules correspondantes. quarksuctgluonsdsb interactions fortesleptonsneutrinosυeυμυτW+ γ Z0 W-chargéseμτ interactions électrofaiblesgravitontrois « générations » de matièrevecteurs de forces Figure 1 Les particules élémentaires actuellement connues. À gauche les trois générations de fermions (quarks et leptons). Chaque quark existe en trois « couleurs », « vert », « rouge » et « bleu ». Chaque lepton chargé (électron e , muon μ et tau τ ) est accompagné d'un neutrino. À droite les vecteurs de forces : gluons, photon γ , bosons W et Z , graviton. La figure 1 présente l'ensemble des particules actuellement connues et considérées comme élémentaires, quarks et leptons, et des vecteurs de forces (voir plus bas) entre eux. Alors que les leptons s'observent isolément, les quarks n'apparaissent qu'en combinaisons « non colorées » : par exemple, le proton est formé de trois quarks (deux u et un d), un de chaque « couleur », (laquelle n'a rien à voir avec la couleur au sens usuel) « vert », « bleu », « rouge », pour que l'ensemble soit « non coloré ». D'autres particules, pions π et kaons K par exemple, sont constituées d'un quark et d'un antiquark, etc., tout cela de façon assez analogue à la formation de molécules en chimie à partir d'atomes. Pour avoir une idée de toute la richesse de combinaisons possibles et en même temps de la complexité et du gigantisme des appareils utilisés pour les détecter, je vous invite vivement à visiter le site du CERN, http ://www.cern.ch. Figure 2 Un événement observé aux anneaux de collision électrons-positrons du LEP. La figure 2 est un piètre exemple en noir et blanc de ce qu'on peut trouver en splendides couleurs sur ce site, une donnée expérimentale presque brute sortie du grand détecteur Aleph au collisionneur électrons-positrons LEP : les faisceaux d'électrons et positrons arrivent perpendiculairement à la figure, de l'avant et de l'arrière, au point d'interaction IP, où ils ont formé un boson Z de durée de vie extrêmement courte, qui s'est désintégré en une paire quark-antiquark, rapidement suivis de la création d'autres paires qui se sont réarrangées pour donner les traces visibles issues de IP et d'autres invisibles, car électriquement neutres, mais éventuellement détectables au moment de leur désintégration en particules chargées (pion, kaons et électrons en l'occurrence). En mesurant les longueurs des traces et les énergies des produits de désintégration et leur nature, on parvient à remonter aux propriétés des quarks produits au point IP et des mésons qu'ils ont formés. Cette figure, par son existence même, est un exemple de va et vient théorie-expérience : il faut avoir une idée très précise du genre d'événement que l'on cherche, et d'une interprétation possible, car il s'agit vraiment de chercher une aiguille dans une meule de foin : il y a un très grand nombre d'événements sans intérêt, que les ordinateurs qui pilotent l'expérience doivent rejeter avec fiabilité. Il est intéressant de noter que plusieurs membres de la figure 1 ont été prédits par cohérence de la théorie (voir plus bas), les quarks c, b, t, et le neutrino du τ, détecté pour la première fois il y a quinze jours, et, dans une certaine mesure, les bosons W et Z. Comme l'appellation des trois « couleurs », les noms de beaucoup de ces particules relèvent de la facétie d'étudiants ! Après la liste des particules, il nous faut parler de leurs interactions, car si elles n'interagissent pas entre elles, et finalement avec un détecteur, nous ne les connaîtrions pas ! En même temps que leurs interactions, c'est à dire leur comportement, nous aimerions comprendre comment on en a prédit certaines par cohérence de la théorie, mais aussi la raison de leur nombre, des caractéristiques de chacune, bref le pourquoi de tout (une ambition qui est fortement tempérée par l'indispensable humilité devant les faits) ! Dans le prochain paragraphe, nous tenterons cette explication. Comprendre Symétries et dynamique : la théorie quantique des champs Ici, les choses deviennent plus difficiles. Vous savez que les électrons tournent autour du noyau parce qu'ils sont négatifs et le noyau positif, et qu'il y a une attraction électrostatique entre les deux. Cette notion de force (d'attraction en l'occurrence) à distance n'est pas un concept compatible avec la relativité restreinte : une force instantanée, par exemple d'attraction électrostatique entre une charge positive et une charge négative, instantanée pour un observateur donné, ne le serait pas pour un autre en mouvement par rapport au premier. Pour les forces électrostatiques ou magnétiques par exemple, il faut remplacer la notion de force par celle d'échange de photons suivant le diagramme de la figure 3a. Ce diagramme décrit l'interaction entre deux électrons par l'intermédiaire d'un photon. Il peut aussi bien décrire les forces électrostatiques entre deux électrons d'un atome que l'émission d'un photon par un électron de la figure que vous êtes en train de regarder suivi de son absorption par un électron d'une molécule de rhodopsine dans votre rétine, qu'il amène ainsi dans un état excité, excitation ensuite transmise au cerveau. On remplace ainsi la force électromagnétique à distance par une émission et absorption de photons, chacune ponctuelle. Entre ces émissions et absorptions, photons et électrons se déplacent en ligne droite (le caractère ondulé de la ligne de photon n'est là que pour la distinguer des lignes d'électrons. On dit que le photon est le vecteur de la force électromagnétique. Les autres vecteurs de force sur la figure 3 sont les gluons g, vecteurs des interactions fortes entre les quarks, les bosons W et Z, vecteurs des interactions « faibles » responsables de la radioactivité β, et le graviton, responsable de la plus ancienne des forces connues, celle qui nous retient sur la Terre. Remarquons que l'on peut faire subir à la figure 3a une rotation de 90 degrés. Elle représente alors la formation d'un photon par une paire électron-antiélectron (ou positron), suivie par la désintégration de ce photon en une autre paire. Si on remplace le photon par un boson Z, et que celui-ci se désintègre en quark-antiquark plutôt qu'électron-positron, on obtient exactement le processus fondamental qui a engendré l'événement de la figure 2. Figure 3 Diagrammes de Feynman 3a : diffusion de deux électrons par échange d'un photon. 3b : création d'une paire électron-positron. 3c : une correction au processus 3a. La figure 3b décrit un autre processus, où le photon se désintègre en une paire électron-positron. En redéfinissant les lignes, une figure identique décrit la désintégration β du neutron par la transformation d'un quark d en quark u avec émission d'un boson W qui se désintègre en une paire électron-antineutrino. Si les « diagrammes de Feynman » de la figure 3 (du nom de leur inventeur) sont très évocateurs de ce qui se passe dans la réalité (la figure 2), il est extrêmement important de souligner qu'ils ne sont pas qu'une description heuristique des processus élémentaires d'interactions entre particules. Ils fournissent aussi des règles pour calculer ces processus avec une précision en principe presque arbitraire si on inclut un nombre suffisant de diagrammes (par exemple, le diagramme de la figure 3c est une correction à celui de la figure 3a, dans laquelle il y a une étape intermédiaire avec une paire électron-positron, qui modifie légèrement les propriétés de l'absorption, par la ligne de droite, du photon qui avait été émis par la ligne de gauche). Ces règles sont celles de la théorie quantique des champs, un cadre conceptuel et opérationnel combinant la mécanique quantique et la relativité restreinte qu'il a fallu environ 40 ans pour construire, une des difficultés principales ayant été de donner un sens aux diagrammes du genre de la figure 3c. En même temps que la dynamique des particules, cette théorie donne des contraintes sur celles qui peuvent exister, ou plutôt des prédictions d'existence sur d'autres non encore découvertes, étant données celles qu'on connaît déjà. Ce fut le cas des quarks c, b et t, et du neutrino du τ. Elle implique aussi l'existence des antiparticules pour les quarks et leptons (les vecteurs de force sont leurs propres antiparticules). Un des guides dans cette construction a été la cohérence, mais aussi l'unification par des symétries, de plus en plus grandes au fur et à mesure de la découverte de particules avec des propriétés nouvelles, et on a trouvé que cohérence et unification allaient ensemble. Avoir un principe de symétrie est puissant, car il limite et parfois détermine entièrement les choix des particules et leurs interactions, mais aussi, une fois qu'on en connaît certaines, d'autres sont déterminées. Cela permet ainsi d'appréhender avec efficacité toute cette faune. Par exemple, la symétrie entre électron et neutrino, ou entre les quarks u et d conduit à la prédiction des bosons W, mais alors on s'aperçoit immédiatement qu'en même temps il faut introduire le Z ou le photon ou les deux, et en même temps aussi leurs interactions sont déterminées. De même, le gluon et la force forte sont la conséquence d'une symétrie entre les trois « couleurs » de quarks. Ces symétries sont des rotations dans un espace interne, notion que nous allons à présent essayer d'expliciter avec une image simple en utilisant un Rubik’s cube. Un Rubik’s cube peut subir des rotations d'ensemble, que nous pouvons appeler transformations externes, et des transformations internes qui changent la configuration des couleurs de ses 9×6=54 facettes. Il faut imaginer qu'un électron ou un quark sont comme une configuration du cube, et que les symétries de la théorie sont les transformations internes qui font passer d'une configuration du cube à une autre. En fait, comme en chaque point de l'espace-temps il peut y avoir n'importe quelle particule, il faut imaginer qu'en chaque point de l'espace-temps il y a l'analogue d'un tel Rubik cube, espace « interne » des configurations de particules. Bien plus, on peut exiger que la théorie soit symétrique par rapport à l'application de transformations du cube différentes, indépendantes les unes des autres, en chaque point. On constate alors qu'on doit naturellement introduire des objets qui absorbent en quelque sorte le changement de la description de l'espace interne quand on passe d'un point à son voisin. Ces objets sont précisément les vecteurs des forces. De plus, les détails de la propagation, de l'émission et de l'absorption de ces particules vecteurs de forces sont prédits de façon à peu près unique. Il est facile d'imaginer que tout ceci fait intervenir une structure mathématique à la fois très complexe et très riche, malheureusement impossible à décrire dans le cadre de cette conférence. Un dernier ingrédient de la construction est la notion de brisure spontanée de symétrie. Car certaines des symétries dont il vient d'être question sont exactes (par exemple celle entre les « couleurs » des quarks), d'autres ne sont qu'approchées : par exemple, un électron et son neutrino n'ont pas la même masse. Dans le phénomène de brisure spontanée de symétrie, on part d'une théorie et d'équations symétriques, mais leurs solutions stables ne sont pas nécessairement symétriques chacune séparément, la symétrie faisant seulement passer d'une solution à une autre. Ainsi dans l'analogue classique d'une bille au fond d'une bouteille de Bordeaux : le problème de l'état d'équilibre de la bille au fond est symétrique par rotation, mais la position effectivement choisie par la bille ne l'est pas. Il y a une infinité de positions d'équilibre possibles, la symétrie par rotation du problème faisant seulement passer de l'une à une autre. La brisure de symétrie permet de comprendre le fait que les leptons chargés par exemple n'aient pas la même masse que leurs neutrinos associés, ou que le photon soit de masse nulle, alors que le W et le Z sont très lourds. L'ensemble de la construction trop brièvement décrite dans ce chapitre a valu le prix Nobel 1999 à Gerhardt 't Hooft et Martinus Veltman, qui en avaient été les principaux artisans dans les années 1970. À l'issue de tout ce travail, on a obtenu ce que l'on appelle le Modèle Standard. C'est l'aboutissement actuel d'unifications successives des forces, commencées par Maxwell au siècle dernier entre électricité et magnétisme (électromagnétisme) qui à présent incluent les interactions faibles : on parle des forces électrofaibles pour englober le photon et les bosons W et Z[1] . Le Modèle Standard prédit l'existence d'une particule, la seule non encore observée dans le modèle, le boson de Higgs, et comment celui-ci donne leur masse à toutes les particules par le mécanisme de brisure de symétrie. Ce dernier acteur manquant encore à l'appel fait l'objet d'une recherche intense, à laquelle le prochain accélérateur du CERN, le LHC, est dédiée. S'il décrit qualitativement et quantitativement pratiquement toutes les particules observées et leurs interactions (le « comment »), le Modèle Standard laisse sans réponse beaucoup de questions « pourquoi ». Par exemple pourquoi y a-t-il trois générations (les colonnes verticales dans la figure 1) ? Pourquoi la force électrofaible comprend-elle quatre vecteurs de force (il pourrait y en avoir plus) ? Par ailleurs toutes les masses et constantes de couplage des particules sont des paramètres libres du modèle. Il y en a une vingtaine en tout, ce qui est beaucoup : on aimerait avoir des principes qui relient ces données actuellement disconnectées. Peut-on unifier plus : y a-t-il une symétrie reliant les quarks aux leptons ? De plus, des considérations plus élaborées permettent d'affirmer que dans des domaines d'énergie non encore atteints par les accélérateurs, le modèle devient inopérant : il est incomplet, même pour la description des phénomènes pour lesquels il a été construit. Plus profondément, il laisse de côté la gravitation. La satisfaction béate ne règne donc pas encore, et nous allons dans le chapitre suivant présenter les spéculations actuelles permettant peut-être d'aller au delà. Au delà du Modèle Standard Grande unification, supersymétrie et supercordes La gravitation universelle introduite par Newton a été transformée par Einstein en la relativité générale, une théorie d'une grande beauté formelle et remarquablement prédictive pour l'ensemble des phénomènes cosmologiques. Mais il est connu depuis la naissance de la mécanique quantique que la relativité générale est incompatible avec celle-ci : quand on tente de la couler dans le moule de la théorie quantique des champs, en faisant du graviton le vecteur de la force de gravitation universelle, on s'aperçoit que les diagrammes de Feynman du type de la figure 3c où on remplace les photons par des gravitons sont irrémédiablement infinis : ceci est dû au fait que lorsqu'on somme sur toutes les énergies des états intermédiaires électron-positron possibles, les états d'énergie très grande finissent par donner une contribution arbitrairement grande, entraînant l'impossibilité de donner un sens à la gravitation quantique. La relativité générale doit être considérée comme une théorie effective seulement utilisable à basse énergie. Trouver une théorie cohérente qui reproduise la relativité générale à basse énergie s'est révélé un problème particulièrement coriace, et un premier ensemble de solutions possibles (ce qui ne veut pas dire que la réalité est parmi elles !) est apparu de manière totalement inattendue vers le milieu des années 1970 avec les théories de cordes. Dans cette construction, on généralise la notion de particule ponctuelle, élémentaire, qui nous avait guidés jusqu'à présent à celle d'un objet étendu, une corde très fine, ou plutôt un caoutchouc, qui se propage dans l'espace en vibrant. Un tel objet avait été introduit vers la fin des années soixante pour décrire certaines propriétés des collisions de protons et autres particules à interactions fortes. Il se trouve qu'il y a là un très joli problème de mécanique classique qu'Einstein lui-même aurait pu résoudre dès 1905, s'il s'était douté qu'il était soluble ! De même qu'une particule élémentaire ponctuelle, en se propageant en ligne droite à vitesse constante minimise la longueur de la courbe d'espace-temps qui est sa trajectoire, la description de la propagation et des modes de vibration d'une de ces cordes revient à minimiser la surface d'espace-temps qu'elle décrit (l'analogue d'une bulle de savon, qui est une surface minimale !), ce qui peut être effectué exactement. Le nom de corde leur a été donné par suite de l'exacte correspondance des modes de vibration de ces objets avec ceux d'une corde de piano. Quand on quantifie ces vibrations à la façon dont on quantifie tout autre système mécanique classique, chaque mode de vibration donne tout un ensemble de particules, et on sait calculer exactement les masses de ces particules. C'est là que les surprises commencent ! On découvre tout d'abord que la quantification n'est possible que si la dimension de l'espace-temps est non point quatre, mais 26 ou 10 ! Ceci n'est pas nécessairement un défaut rédhibitoire : les directions (encore inobservées ?) supplémentaires peuvent être de très petite dimension, et être donc encore passées inaperçues. On découvre simultanément que les particules les plus légères sont de masse nulle et que parmi elles il y a toujours un candidat ayant exactement les mêmes propriétés que le graviton à basse énergie. De plus, quand on donne la possibilité aux cordes de se couper ou, pour deux, de réarranger leur brins au cours d'une collision, on obtient une théorie dans laquelle on peut calculer des diagrammes de Feynman tout à fait analogue à ceux de la figure 3, où les lignes décrivent la propagation de cordes libres. Cette théorie présente la propriété d'être convergente, ce qui donne donc le premier exemple, et le seul connu jusqu'à présent, d'une théorie cohérente incluant la gravitation. Les modes d'excitation de la corde donnent un spectre de particules d'une grande richesse. La plupart sont très massives, et dans cette perspective d'unification avec la gravitation, inobservables pour toujours : si on voulait les produire dans un accélérateur construit avec les technologies actuelles, celui-ci devrait avoir la taille de la galaxie ! Seules celles de masse nulle, et leurs couplages entre elles, sont observables, et devraient inclure celles du tableau de la figure 1. Remarquons ici un étrange renversement par rapport au paradigme de l'introduction sur l'« élémentarité » des particules « élémentaires » : elles deviennent infiniment composées en quelque sorte, par tous les points de la corde, qui devient l'objet « élémentaire » ! Au cours de l'investigation de cette dynamique de la corde au début des années 1970, on a été amené à introduire une notion toute nouvelle, celle de supersymétrie, une symétrie qui relie les particules du genre quarks et leptons (fermions) de la figure 1 aux vecteurs de force. En effet, la corde la plus simple ne contient pas de fermion dans son spectre. Les fermions ont été obtenus en rajoutant des degrés de liberté supplémentaires, analogues à une infinité de petits moments magnétiques (spins) le long de la corde. La compatibilité avec la relativité restreinte a alors imposé l'introduction d'une symétrie entre les modes d'oscillation de ces spins et ceux de la position de la corde. Cette symétrie est d'un genre tout à fait nouveau : alors qu'une symétrie par rotation par exemple est caractérisée par les angles de la rotation, qui sont des nombres réels ordinaires, cette nouvelle symétrie fait intervenir des nombres aux propriétés de multiplication très différentes : deux de ces nombres, a et b disons, donnent un certain résultat dans la multiplication a×b, et le résultat opposé dans la multiplication b×a : a×b= b×a. On dit que de tels nombres sont anticommutants. À cause de cette propriété nouvelle, et de son effet inattendu d'unifier particules et forces, on a appelé cette symétrie supersymétrie, et supercordes les théories de cordes ayant cette (super)symétrie. A posteriori, l'introduction de tels nombres quand on parle de fermions est naturelle : les fermions (l'électron en est un), satisfont au principe d'exclusion de Pauli, qui est que la probabilité est nulle d'en trouver deux dans le même état. Or la probabilité d'événements composés indépendants est le produit des probabilités de chaque événement : tirer un double un par exemple avec deux dés a la probabilité 1/36, qui est le carré de 1/6. Si les probabilités (plus précisément les amplitudes de probabilité) pour les fermions sont des nombres anticommutants, alors, immédiatement, leurs carrés sont nuls, et le principe de Pauli est trivialement satisfait ! Les extraordinaires propriétés des théories des champs supersymétriques et des supercordes ont été une motivation puissante pour les mathématiciens d'étudier de façon exhaustive les structures faisant intervenir de tels nombres anticommutants. Un exemple où on voit des mathématiques pures sortir en quelque sorte du réel. De nombreux problèmes subsistent. En voici quelques uns : - L'extension et la forme des six dimensions excédentaires : quel degré d'arbitraire y a-t-il dedans (pour l'instant, il semble trop grand) ? Un principe dynamique à découvrir permet-il de répondre à cette question ? Ces dimensions excédentaires ont-elles des conséquences observables avec les techniques expérimentales actuelles ? - La limite de basse énergie des cordes ne contient que des particules de masse strictement nulle et personne ne sait comment incorporer les masses des particules de la figure 1 (ou la brisure de symétrie qui les engendre) sans détruire la plupart des agréables propriétés de cohérence interne de la théorie. Une des caractéristiques des supercordes est d'englober toutes les particules de masse nulle dans un seul et même multiplet de supersymétrie, toutes étant reliées entre elles par (super)symétrie. En particulier donc, quarks et leptons, ce qui signifie qu'il doit exister un vecteur de force faisant passer d'un quark à un lepton, et donc que le proton doit pouvoir se désintégrer en leptons (positron et neutrinos par exemple) comme la symétrie de la force électrofaible implique l'existence du boson W et la désintégration du neutron. Or, le proton est excessivement stable : on ne connaît expérimentalement qu'une limite inférieure, très élevée, pour sa durée de vie. La brisure de cette symétrie quark-lepton doit donc être très grande, bien supérieure à celle de la symétrie électrofaible. L'origine d'une telle hiérarchie de brisures des symétries, si elle existe, est totalement inconnue. - Doit-on s'attendre à ce qu'il faille d'abord placer les cordes dans un cadre plus vaste qui permettrait à la fois de mieux les comprendre et de répondre à certaines de ces questions ? Nul ne sait. En attendant, toutes les questions passionnantes et probablement solubles dans le cadre actuel n'ont pas encore été résolues. Entre autres, les cordes contiennent une réponse à la question de la nature de la singularité présente au centre d'un trou noir, objet dont personne ne doute vraiment de l'existence, en particulier au centre de nombreuses galaxies. Également quelle a été la nature de la singularité initiale au moment du Big Bang, là où la densité d'énergie était tellement grande qu'elle engendrait des fluctuations quantiques de l'espace, et donc où celui-ci, et le temps, n'avaient pas l'interprétation que nous leur donnons usuellement d'une simple arène (éventuellement dynamique) dans laquelle les autres phénomènes prennent place. Toutes ces questions contiennent des enjeux conceptuels suffisamment profonds sur notre compréhension ultime de la matière, de l'espace et du temps pour justifier l'intérêt des talents qui s'investissent dedans. Mais ces physiciens sont handicapés par l'absence de données expérimentales qui guideraient la recherche. Le mécanisme de va et vient expérience-théorie mentionné dans l'introduction ne fonctionne plus : le Modèle Standard rend trop bien compte des phénomènes observés et observables pour que l'on puisse espérer raisonnablement que l'expérience nous guide efficacement dans le proche avenir. Mais à part des surprises dans le domaine (comme par exemple la découverte expérimentale de la supersymétrie), peut-être des percées viendront de façon complètement imprévue d'autres domaines de la physique, ou des mathématiques. Ce ne serait pas la première fois. Quelle que soit la direction d'où viennent ces progrès, il y a fort à parier que notre vision de la particule élémentaire en sera une fois de plus bouleversée.
[1] Voir la 212e conférence de l’Université de tous les savoirs donnée par D. Treille.

 

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La physique la conqute de linfiniment bref

 

 

 

 

 

 

 

La physique à la conquête de l’infiniment bref

08.01.2024, par Sebastián Escalón

Mise à l’honneur par le prix Nobel 2023, la physique attoseconde s’attaque à une autre dimension de l’infiniment petit : le temps. À la clé, la possibilité de visualiser et contrôler la dynamique des électrons et des réactions chimiques entre atomes.
Le 3 octobre dernier, la physicienne Anne l’Huillier donnait son cours de physique à l’université de Lund, en Suède. À la pause, elle ralluma son portable pour voir si elle avait reçu de nouveaux messages. C’est alors qu’elle apprît la nouvelle : elle venait d’obtenir le prix Nobel de physique conjointement avec le Français Pierre Agostini et l’Austro-Hongrois Ferenc Krausz. Elle était la cinquième femme à recevoir cette distinction, la seconde française après Marie Curie. Mais avant de se laisser emporter par l’émotion, Anne l’Huillier avait quelque chose à terminer : son cours. Ce qu’elle fit, en s’excusant auprès de ses étudiants de ce qu’elle terminerait un peu plus tôt que d’habitude.


Avec ce Nobel, l’Académie royale des sciences de Suède récompensait les méthodes expérimentales ayant permis la production d’impulsions de lumière d’une durée de l’ordre de l’attoseconde, soit un milliardième de milliardième de seconde. Comme aiment le rappeler les chercheurs, il y a autant d’attosecondes dans une seconde que de secondes depuis le Big Bang. Ces impulsions ont ouvert un nouveau champ de recherche : pour la première fois, les scientifiques disposaient d’un outil pour explorer des phénomènes ultrarapides, et en particulier la dynamique des électrons.
« Quand vous regardez la matière, c’est le cortège électronique qui détermine la position des atomes, explique Valérie Blanchet, physicienne au Centre lasers intenses et applications1 (Celia). La structuration de la matière, ce sont les électrons qui la déterminent. » D’où l’immense intérêt de se focaliser sur ces minuscules particules chargées négativement. La physique attoseconde apporte la dimension « temps » aux sciences de l’infiniment petit : ce n’est pas seulement l’état initial et l’état final d’un système qu’elle permet d’observer, mais aussi la transition de l’un à l’autre. Et ce n’est pas tout : les impulsions attosecondes permettent aussi de contrôler la dynamique des électrons dans la matière. Porté pendant trente ans par un groupe réduit d’opticiens et de physiciens, le domaine « atto » intéresse désormais de nombreux autres champs scientifiques, de la chimie à la médecine en passant par la biologie. Il est d'ailleurs aujourd'huiau coeur du programme et équipements prioritaire de recherche (PEPR) exploratoire LUMA – piloté par le CNRS et le CEA – qui vise à comprendre, façonner et exploiter la lumière pour contrôler des systèmes physico-chimiques et biologiques et ouvrir la voie à de nouvelles technologies vertes.

Mystérieuses harmonies
Tout a commencé en 1988, lorsqu’une jeune physicienne récemment embauchée par le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Anne l’Huillier, braque un laser sur des atomes d’argon. L’équipe dont elle fait partie détient une réputation mondiale dans l’étude des interactions lumière-matière. Mais cette fois-ci, au lieu de regarder l’effet de la lumière sur les atomes, elle décide de regarder les photons issus de cette interaction. « C’était de la pure curiosité d’expérimentatrice. Aucun théoricien ne lui avait suggéré de regarder cela », explique Philippe Balcou, directeur de recherche au Celia, qui, un an après cette expérience, est devenu le premier étudiant en thèse d’Anne l’Huillier. La physicienne observe alors quelque chose d’inattendu : le laser induit l’émission de faisceaux de photons ultraviolets, dont les fréquences sont des multiples de celle du laser, appelées harmoniques. Mais leur présence était alors inexplicable, d’autant plus que l’intensité de ces harmoniques, au lieu de retomber rapidement, atteint un plateau qui se prolonge dans l’extrême ultraviolet et même au-delà. Anne l’Huillier décide dès lors de se consacrer à l’étude de ce phénomène.


« Au début, personne ne comprenait rien à ces harmoniques », admet Richard Taïeb, chercheur au Laboratoire de chimie physique - matière et rayonnement2, qui fut l’un des premiers théoriciens à travailler avec Anne l’Huillier. Il faudra d’ailleurs attendre cinq ans pour que des chercheurs en expliquent l’origine. Lorsque les électrons sont excités par le laser et « arrachés » de l’atome (qui est ainsi ionisé), ils s’échappent de leur cœur. Mais lorsque la phase de la lumière laser s’inverse, l’électron est brusquement ramené vers le noyau atomique ionisé, et peut alors se recombiner avec ce dernier. Pour se débarrasser du surplus d’énergie qu’il a accumulé lors de son excitation par le laser, il émet un photon ultraviolet. Très vite, ces harmoniques suscitent l’intérêt des expérimentateurs et des théoriciens. « L’une des motivations pour les étudier, c’était d’avoir une source de lumière cohérente dans l’UV extrême », se souvient Richard Taieb. En effet, ces faisceaux ne partent pas dans tous les sens : ils sont émis exactement dans la direction du laser. « On avait là une sorte de synchrotron de poche », s’amuse Philippe Balcou.

Les impulsions attosecondes permettent de contrôler la dynamique des électrons dans la matière
Au milieu des années 1990, les physiciens comprennent que les harmoniques sont en phase. À intervalles réguliers, toutes les fréquences s’additionnent et forment une impulsion extrêmement brève. Il ne reste plus qu’à trouver le moyen de mesurer sa durée.
C’est Pierre Agostini, inspiré par les travaux des théoriciens Richard Taïeb, Valérie Véniard et Alfred Maquet qui détermine pour la première fois la durée d’une impulsion : 250 attosecondes. Nous sommes alors en 2001, la physique « atto » vient de naître. Les deux décennies suivantes ont vu l’apparition de lasers plus performants. « Lorsqu’on faisait les premières caractérisations des harmoniques, au début des années 1990, nous disposions d’un laser qui tirait un coup par minute, rappelle Philippe Balcou. Aujourd’hui ils tirent plus de 10 000 fois par seconde. » D’autant que l’amélioration des lasers s’est conjuguée à une meilleure maîtrise de la génération d’impulsions attosecondes. L’heure était désormais à l’exploitation de ce formidable outil.

Libérer l’électron
L’un des exploits les plus remarquables de la science attoseconde a été l’observation de l’effet photoélectrique. Décrit par Einstein en 1905, il consiste en l’éjection d’un électron au moment où un atome absorbe un photon d’une énergie particulière. En 2010, Ferenc Krausz montre que cette éjection n’est pas immédiate : l’électron met une poignée d’attosecondes à s’échapper de l’emprise du noyau atomique. Ce temps d’éjection varie aussi en fonction des caractéristiques de l’électron excité. Qu’est-ce qui retarde ces électrons ? Qu’est-ce qui distingue les différents électrons d’un atome ? Comment ceux-ci s’influencent-ils les uns les autres ? Les chercheurs ont enfin les outils expérimentaux et théoriques pour aborder ces questions. « Grâce aux impulsions attosecondes, on peut commencer à explorer les interactions entre les électrons, ce que l’on appelle aussi corrélation électronique, de façon résolue dans le temps », explique Valérie Blanchet.


Séquence d'un film en 3D de la photoémission d’un atome d’hélium, montrant son évolution lorsqu'il cède un électron sous l'effet de la lumière. La scène dure 30 millionièmes de milliardième de seconde et a été filmée pour la première fois grâce à un laser à impulsions ultrabrèves.

Ces interactions entre électrons conditionnent les interactions des atomes entre eux, notamment lors des réactions chimiques. Celles-ci commencent toujours par un réarrangement électronique : le mouvement des noyaux ne survient que bien plus tard. « Ce qui me plaît dans la physique attoseconde, c’est qu’on se situe aux premiers instants des phénomènes », affirme Lou Barreau, chercheuse à l’Institut des sciences moléculaires d'Orsay3. Lors de ses expériences, elle utilise des impulsions attosecondes pour ioniser différentes molécules. « J’essaie de comprendre l’influence du milieu sur l’éjection des électrons. Est-ce que la présence d’un groupe méthyle ou d’un cycle aromatique influence le temps d’ionisation, par exemple. »
En se plaçant en amont de la chimie, les chercheurs voudraient contrôler, grâce aux impulsions attosecondes, le déroulement des réactions chimiques. Prenons une molécule que l’on voudrait casser à un endroit bien précis afin d’obtenir un certain produit. « L’idée est d’exciter des électrons dans une molécule pour créer une onde électronique. Cette onde se propagerait le long de la molécule et affaiblirait certaines liaisons atomiques », explique Lou Barreau. Les impulsions attosecondes serviraient ainsi à « graver » sur la molécule des lignes de découpe avant la réaction chimique afin d’obtenir les produits escomptés. Cependant, beaucoup de travail sera nécessaire avant de mettre à profit ces nouvelles possibilités. « Il y a déjà des preuves de principe sur des acides aminés, mais il s’agit pour l’instant d’ions. On n’arrive pas encore à le faire sur des molécules neutres », tempère Lou Barreau.


Un type de molécule bien particulier a beaucoup intéressé les chercheurs des sciences attosecondes. Il s’agit des molécules chirales. Chaque molécule chirale a deux versions, deux énantiomères, qui, comme nos deux mains, sont parfaitement identiques si ce n’est qu’elles sont l’image dans un miroir l’une de l’autre. Depuis le XIXe siècle, on sait que ces molécules énantiomères ont la propriété de modifier dans deux sens opposés la polarisation d’une lumière polarisée. C’est ce qu’on appelle l’activité optique. L’équipe HXUV du Celia a ionisé des molécules chirales et montré que le temps que mettent les électrons à s’échapper de la molécule et leur direction d’éjection dépendent du sens de polarisation de la lumière ainsi que de l’énantiomère.  
L’inexorable expansion du domaine attoseconde
L’autre intérêt de la physique attoseconde est son utilité pour d’autres disciplines. « Avec les progrès de la physique attoseconde, on peut maintenant étudier des objets plus complexes qui nous connectent à d’autres domaines », explique Franck Lépine, chercheur à l'Institut lumière matière4. Parmi ces domaines, l’astrophysique. « Les molécules de milieux interstellaires réagissent aux rayonnements ionisants présents dans l’espace », précise le chercheur. Afin de mieux comprendre la relation entre la chimie interstellaire et le rayonnement ionisant, son équipe a utilisé des impulsions attosecondes dans l’extrême ultraviolet pour étudier la stabilité de molécules carbonées, prémices de l’apparition de la vie dans l’Univers.
Les méthodes attoseconde lui permettent aussi d’étudier l’ADN et les protéines. « On s’intéresse aux dommages que produisent les rayonnements énergétiques sur la matière vivante. Comprendre les premiers instants de ces processus pourrait permettre d’imaginer de nouvelles façons de nous protéger de ce rayonnement », précise Franck Lépine, qui développe en collaboration avec Ferenc Krausz une nouvelle méthode de diagnostic médical précoce. « Grâce à des impulsions attosecondes à large spectre, on peut détecter la présence infime de certaines molécules signatures de cancer dans des fluides biologiques et ainsi prédire très en amont l’apparition de la maladie », explique le physicien.


Éric Le Roux / Université Lyon 1
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Les chercheurs pensent qu’il faudra encore plusieurs années avant que l’attoseconde entre dans la vie de tous les jours. « Je compare le domaine attoseconde à celui des lasers. Le concept de laser a été posé au début du XXe siècle. Il a ensuite fallu cinquante ans pour construire le premier laser, puis trente ans de plus pour qu’il révolutionne notre vie au quotidien avec la lecture de code barre, le CD ou la chirurgie laser », relève Fabrice Catoire, théoricien des cohérences à l’échelle attoseconde au Celia. Mais même si l’attoseconde tarde à entrer dans la vie quotidienne, il est fort probable qu’elle entrera rapidement dans la boîte à outils des scientifiques. « Il suffit de voir l’évolution du domaine femtoseconde ou picoseconde depuis les années 1980 et 1990, observe Franck Lépine. À partir de choses très fondamentales, on est passé à des applications dans l’industrie, la chirurgie, la spectrométrie ultrarapide. On parle de femtochimie ou femtomagnétisme. Pour l’atto, on en est aux preuves de concept, mais peu à peu on va essaimer vers d’autres domaines. » Patience donc : les avancées scientifiques ne se font pas en quelques attosecondes. ♦
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Laserix et l’exception française
La série de Nobels de physique français de ces dernières années (Gérard Mourou, Alain Aspect, Pierre Agostini, Anne L’Huillier) ne doit rien au hasard. Leur carrière se caractérise par une utilisation intensive de lasers. Or, depuis les années 1960, la France se distingue par sa grande maîtrise de cet instrument. Il existe une exception française en matière de lasers, faite de techniciens, ingénieurs et chercheurs au top, de plateformes d’excellence et d’entreprises leaders mondiales du secteur telles que Thales et Amplitude.
Laserix, la plateforme laser de l’université Paris-Saclay, fait partie de cette success story. Depuis 2003, Laserix offre aux chercheurs de diverses disciplines, sur le modèle de la résidence d’artiste, des sources lasers femtosecondes d’une exceptionnelle qualité. Sa spécialité est la génération d’impulsions dans les très courtes longueurs d’onde, l’UV extrême, et « fournit une source 10 à 100 fois plus énergétique que les sources harmoniques à ces longueurs d’onde », affirme Sophie Kazamias, directrice scientifique de la plateforme depuis 2015.
Parmi les recherches menées grâce à Laserix, il y a l’accélération laser-plasma. Cette technique permet d’accélérer des électrons, avec des champs accélérateurs 1 000 fois supérieurs à ceux des accélérateurs actuels, jusqu’à des vitesses proches de celle de la lumière. À cette vitesse, des phénomènes relativistes se manifestent, comme une augmentation notable de la masse des particules. Ce domaine est sans doute parmi les plus « chauds » de la physique. « Un jour, l’accélération laser-plasma sera l’objet d’un Nobel. Et parmi le groupe de scientifiques récompensés, il y aura sans doute un Français », prédit Sophie Kazamias.
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La microlectronique

 

 

 

 

 

 

 

La microélectronique

L'électronique est une discipline née de la physique et dédiée à la manipulation des signaux électriques. Elle permet, au moyen de divers éléments appelés « composants », de construire des appareils capables de gérer ces signaux électriques dans le but de transmettre ou de recevoir des informations. La microélectronique désigne l'ensemble des technologies de fabrication de composants, qui utilisent des courants électriques pour transmettre, traiter ou stocker des informations, à l'échelle micrométrique. Elle est en grande partie à l'origine des formidables progrès réalisés ces dernières décennies dans les domaines de l'informatique, des télécommunications et de l'imagerie, entre autres.

Publié le 18 octobre 2018
        
L'histoire de la microélectronique 
En un siècle, la miniaturisation a permis le passage du tube à vide au transistor sur matériau solide d'un micromètre carré. Parallèlement, le passage du signal analogique (à variation continue) au signal numérique (codé en une succession de 0 et de 1) a facilité le développement de circuits électroniques aux fonctions de plus en plus performantes. 

                
La microélectronique : passer du design à la fabrication 
Si les puces électroniques se retrouvent aujourd'hui dans de très nombreux objets de la vie quotidienne, c'est qu'elles sont fabriquées en série et contiennent des milliards de composants. Cette production fait appel à des technologies d'une extrême complexité et nécessite donc des infrastructures et des équipements très coûteux. 

        
La microélectronique : de plus en plus d'applications 
Téléphones mobiles, appareils photo numériques, micro-ordinateurs, consoles de jeux, cartes bancaires, GPS, automobiles : en quelques décennies, les circuits intégrés ont conquis la plupart de nos objets quotidiens.
        
Électronique... et plus encore 
Les domaines des nanosciences et nanotechnologies ont émergé dans les années 80 avec la mise au point de nouveaux outils de fabrication, de mesure et de caractérisation à l'échelle des atomes, comme les microscopes à effet tunnel.

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Technologies pour l'information et la communication

 

 

 

 

 

 

 

Technologies pour l'information et la communication

Spintronique, photonique, électronique moléculaire… autant de technologies à l’étude pour miniaturiser davantage les transistors.

Publié le 1 juillet 2012

Les technologies pour l’information et la communication recourent comme matériau de base aux nanocomposants. Ceux-ci sont fabriqués de deux manières.
*         La voie descendante, ou top-down, permet de réduire le plus possible les dimensions du composant que l’on veut fabriquer. C’est la voie suivie par l’électronique depuis quarante ans. L’exemple le plus remarquable en est le circuit intégré sur puce.
*         La voie ascendante, ou bottom-up, permet de construire des molécules ou des assemblages atomiques complexes, intégrés ensuite dans de plus grands systèmes. Elle vise à fabriquer plus petit, moins cher et avec une qualité accrue. C’est l’une des voies d’avenir à plus ou moins long terme pour dépasser les limitations de la loi de Moore.

L’ÉVOLUTION DE LA MICROÉLECTRONIQUE
Le silicium, matériau de base de toute l’industrie électronique, est un élément abondant, puisqu’il est extrait du sable par purification (94 % de la croûte terrestre est composée de silice !). Il est cristallisé sous la forme de barreaux de 20 à 30 cm de diamètre, lesquels seront découpés en tranches de moins d’un millimètre d’épaisseur. Sur ces tranches sont fabriquées en même temps des centaines de puces, par photolithographie. Celle-ci consiste à reproduire, dans une résine photosensible, le dessin des circuits à réaliser, à l’image de pochoirs que l’on pourrait superposer pour obtenir des circuits de plus en plus complexes.

 Observation des motifs gravés grâce à un microscope optique. © P.Stroppa/CEA
Ces motifs compliqués sont générés en une seule exposition. Les détails sont imprimés sur le substrat quand la lumière passe à travers les ouvertures d’un masque, définissant d’une manière précise et reproductible des millions de transistors. Les traits les plus fins obtenus aujourd’hui industriellement ont une épaisseur de 45 nanomètres, ce qui permet de disposer et de connecter des millions de composants de base – les transistors – par circuit et de multiplier ainsi les fonctionnalités. Cette technique de photolithographie est limitée par les phénomènes de diffraction et de longueur d’onde du faisceau de lumière utilisé. Des améliorations sont en cours de test pour augmenter la précision. Par exemple, la longueur d’onde des lumières utilisées à travers les pochoirs a été diminuée pour descendre du bleu au bleu profond puis à l’ultraviolet.

Mais de nouvelles lentilles doivent être mises au point pour focaliser cette lumière de plus en plus énergétique. La résolution spatiale a été doublée en tirant parti du caractère ondulatoire de la lumière et du principe d’interférence. Le renforcement sélectif des ondes lumineuses mène à une exposition accrue de la résine photosensible, tandis que leur annulation laisse des structures dans l’obscurité. On peut également graver des motifs sur les puces au moyen de faisceaux d’électrons, mais les dessins doivent alors être tracés les uns après les autres. La lithographie à faisceau d’électrons (e-beam) permet d’atteindre une résolution nanométrique, car la longueur d’onde des électrons est de l’ordre de quelques nanomètres. C’est idéal pour produire le pochoir initial qui sera réutilisé des milliers de fois en lithographie optique, ou pour la fabrication de circuits expérimentaux en laboratoire… mais pas pour la production en masse de puces.
La photolithographie atteindra ses limites techniques lorsque les détails les plus fins mesureront de 10 à 20 nm, ce qui devrait arriver à l’horizon de 2015.  À cette échelle, des effets dus à la physique quantique se manifesteront et perturberont le fonctionnement des circuits ; par exemple, des électrons pourront sauter d’un « fil » à l’autre par effet tunnel (voir la page “La physique quantique”). Outre les limites physiques, les investissements nécessaires pour construire des usines capables de graver des circuits aussi fins deviendront prohibitifs (estimés aujourd’hui à plus de 5 milliards d’euros). La voie top-down, qui aura poussé jusqu’à l’extrême la miniaturisation du transistor MOS (Metal oxide semiconductor), devrait atteindre ses limites vers 2020.
Un changement de technologie devrait alors s’imposer : ce sera le début de la véritable nanoélectronique, qui prendra en compte les propriétés de la matière à cette échelle. Les composants de base ne seront plus les mêmes.


COMMENT REPOUSSER LES LIMITES DE LA LOI DE MOORE ?
Plusieurs options sont possibles pour prolonger la voie de la miniaturisation, dont voici deux exemples.
La spintronique réalise le mariage entre l’électronique et le magnétisme. Alors que l’électronique actuelle est entièrement basée sur la manipulation de la charge électrique portée par les électrons, la spintronique utilise leur spin. Les électrons ont trois particularités physiques : leur masse, leur charge et leur spin. Pour cette dernière caractéristique intrinsèque, tout se passe comme si le moment magnétique de l’électron s’apparentait au sens de rotation interne de celui-ci autour d’un axe fixe imaginaire. Pour les électrons, le spin ne peut prendre que deux valeurs : +1/2 spin dit « up » ou -1/2 spin dit « down », correspondant ainsi au fait qu’il ne peut tourner que dans un sens ou dans l’autre. On peut utiliser cette propriété pour obtenir des fonctionnalités nouvelles, par exemple pour coder, traiter ou transmettre une information.

Focus sur Minatec

Pôle d’excellence européen en micro et nanotechnologies.

Autour de l’Institut Léti* du CEA est organisé un campus regroupant institutions universitaires et entreprises privées. Officiellement inauguré en juin 2006 et situé à Grenoble, Minatec met à leur disposition des salles blanches et une plateforme de nanocaractérisation unique en Europe, pour un investissement d’un milliard d’euros sur dix ans.
* Laboratoire d’électronique et des technologies de l’information.

Une grande variété de dispositifs innovants utilisant le spin des électrons peut être réalisée. Ces dispositifs combinent des matériaux magnétiques qui servent de polariseur ou analyseur en spin et des matériaux conducteurs, isolants ou semiconducteurs.
Des dispositifs spintroniques sont déjà utilisés dans les disques durs d’ordinateur. Il s’agit de capteurs dont la résistance électrique varie en fonction du champ magnétique appliqué. Ils permettent de relire l’information magnétique enregistrée sur le disque magnétique. La spintronique permet d’envisager de pousser la capacité de stockage sur les disques durs au-delà du térabit (1015 bits) par pouce carré, c’est-à-dire 155 milliards de bits/cm2.
D’autres applications industrielles sont en train de voir le jour. Ainsi, des mémoires magnétiques peuvent être réalisées sans aucune pièce mobile (contrairement aux disques durs). Ces mémoires sont formées d’un réseau de piliers magnétiques de dimension nanométrique, eux-mêmes constitués de couches magnétiques dont le sens de l’aimantation (+1/2 ou -1/2) détermine l’état du bit (respectivement 0 ou 1). Non seulement ces mémoires vives ne disparaissent pas en cas de coupure d’alimentation (non-volatilité), mais elles sont très rapides (écriture et lecture ne durent que quelques nanosecondes) et sont insensibles aux rayonnements ionisants. Elles permettent de concevoir des ordinateurs que l’on pourrait éteindre et allumer instantanément en gardant toute l’information à l’écran. D’autres applications sont en cours de développement pour la réalisation de composants radiofréquence pour les télécommunications et les réseaux sans fil.
La photonique utilise la lumière pour coder l’information. Tous les systèmes actuels (une puce d’ordinateur, un circuit intégré, un transistor) sont basés sur le transport, le confinement et les propriétés physiques de l’électron. Mais si, pour aller plus vite, il était remplacé par le photon ? Celui-ci, outre qu’il se déplace à la vitesse de la lumière (300 000 km/s), provoque peu de dissipation de chaleur lors de son déplacement.
Mais, avant d’employer les photons comme moyen de codage d’information dans une puce, il faut mettre au point tous les composants de la chaîne, de l’émetteur au récepteur, en passant par les guides et les modulateurs. Le silicium, vedette de la microélectronique, est une piètre source de lumière… à l’état macroscopique. La solution est venue de la nanostructuration : soumis aux lois étranges du monde quantique, un cristal de silicium, réduit à une dizaine de nanomètres, voit ses performances d’émission fortement modifiées ! Pour guider ces photons, pas question d’utiliser des fibres optiques ou des miroirs aux dimensions millimétriques, mais un dispositif bien plus efficace : le cristal photonique. Constitués en perçant de minuscules trous de manière périodique dans un semi-conducteur, ces cristaux réfléchissent et dirigent la lumière. Ils peuvent aussi la filtrer, en agissant sur des longueurs d’onde particulières et permettent de la confiner dans un volume extrêmement faible (quelques centaines de nm). La modulation, le multiplexage et le décodage des signaux sont les trois domaines où de nombreux progrès sont en cours pour aller vers l’ordinateur à photons. C’est cette possibilité de multiplexage qui, en permettant les calculs parallèles, représente le « plus » de l’ordinateur photonique.


Des mémoires vives persistantes et rapides grâce à la spintronique.


Le photon, qui se déplace à la vitesse
de la lumière, pourrait remplacer l’électron
pour coder les informations dans une puce.

Graphène et nanotube de carbone
En chimie et en science des matériaux, l'allotropie est la propriété de certains corps simples d'exister sous plusieurs formes cristallines ou moléculaires. Par exemple le carbone, qui apparaît sous une forme non structurée : la mine de crayon, ou structurée: le diamant. La mine de crayon est composée d’un empilement de feuillets monoatomiques d’atomes de carbone disposés en hexagones. Si l’on isole un seul feuillet de la structure, on obtient du graphène, qui présente des propriétés de transport électronique remarquables. Si l’on enroule ce feuillet sur lui-même, il peut prendre la forme d’un nanotube. Le nanotube a des propriétés mécaniques et électriques surprenantes qui promettent des applications nombreuses et une industrialisation dans un avenir proche :
- Le nanotube est 100 fois plus résistant et 6 fois plus léger que l’acier. Il peut donc être utilisé pour fabriquer des matériaux composites hautes performances et remplacer les traditionnelles fibres de carbone: raquettes de tennis ou clubs de golf sont des exemples d’applications grand public.
- En fonction de l’angle d’enroulement du feuillet de graphite, le nanotube est soit un excellent conducteur d’électricité, soit un semi-conducteur. Les conducteurs pourront être utilisés dans la fabrication de nanofils électriques, ou comme nano-électrodes dans les écrans plats de télévision ou d’ordinateur. Un nanotube semi-conducteur et un conducteur assemblés pourront être utilisés comme éléments de base pour fabriquer des composants électroniques nanométriques.
    
LA DÉMARCHE BOTTOM-UP À PARTIR DE NANOCOMPOSANTS
Cette nouvelle approche est envisageable pour surmonter les obstacles de la miniaturisation. Elle fait appel à des connaissances fonda­mentales de physique et de chimie et permet de concevoir les composants entièrement nouveaux de l’électronique moléculaire.
Si la fabrication atome par atome de nanocomposants est possible, elle est inenvisageable industriellement sans la maîtrise de procédés d’auto-assemblage de la matière, car elle prendrait un temps infini. À défaut de construire un circuit et ses nanocomposants, ce qui serait trop long et trop cher, les chercheurs envisagent la conception d’entités moléculaires dotées de fonctions électroniques capables de s’organiser seules. Pour les fabriquer, ils disposent de quatre briques de base : les molécules de synthèse, faciles à obtenir, les biomolécules comme l’ADN, les nanoparticules métalliques ou semi-conductrices et les nanotubes de carbone. Mais la voie de l’auto-assemblage est difficile : il faut réussir à contrôler le positionnement des briques.
Des charges positives et négatives s’attirent : si l’on ajoute des molécules chargées négativement à la surface d’un wafer, elles vont attirer les molécules chargées positivement greffées à la surface de nanotubes, créant ainsi des nanocomposants. Reste à résoudre le problème des jonctions entre ces composants et le reste du circuit ; faute de quoi, l’électronique moléculaire en restera là, malgré des perspectives très séduisantes.

 
Lorsque l’on applique une tension déterminée sur la grille, un électron peut entrer dans « l’île de Coulomb » tandis qu’un autre en sort. Il s’établit dans le transistor un courant dont l’intensité dépend du nombre d’électrons présents dans l’île. © Yuvanoé/CEA

En 1974, la première diode moléculaire a été réalisée sur une couche de molécules individuelles. Non plus faite en silicium, elle a été obtenue par la mise en contact de deux morceaux de semi-conducteurs : l’un des matériaux comporte de nombreux électrons, alors que le deuxième en est extrêmement pauvre. Des molécules qui présentent cette même asymétrie ont ensuite été conçues ; puis un transistor dans lequel le canal était formé d’une de ces molécules.
Ce dispositif a donné des preuves flagrantes du comportement quantique des électrons.
On peut aussi concevoir un transistor à un seul électron. Le principe consiste à ajouter un espace en matériau semi-conducteur entre la source et le drain du transistor, où seul un nombre déterminé d’électrons peut s’accumuler. Quand une tension électrique est appliquée entre la source et le drain, l’espace se remplit, puis le courant ne passe plus (phénomène de blocage de Coulomb). Lorsque l’on applique une tension sur la grille du transistor, un nouvel électron peut entrer, tandis qu’un autre sort de cet espace. Ainsi, en modifiant la tension de grille, on réalise de l’électronique à un seul électron.

 

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