SUIVRE LES RÉACTIONS ENTRE LES ATOMES EN LES PHOTOGRAPHIANT AVEC DES LASERS

"Les progrès de l'optique ont conduit à des avancées significatives dans la connaissance du monde du vivant. Le développement des lasers impulsionnels n'a pas échappé à cette règle. Il a permis de passer de l'ère du biologiste-observateur à l'ère du biologiste-acteur en lui permettant à la fois de synchroniser des réactions biochimiques et de les observer en temps réel, y compris in situ. Ce progrès indéniable a néanmoins eu un coût. En effet, à cette occasion le biologiste est (presque) devenu aveugle, son spectre d'intervention et d'analyse étant brutalement réduit à celui autorisé par la technologie des lasers, c'est à dire à quelques longueurs d'onde bien spécifiques. Depuis peu, nous assistons à la fin de cette époque obscure. Le laser femtoseconde est devenu "" accordable "" des RX à l'infrarouge lointain. Il est aussi devenu exportable des laboratoires spécialisés en physique et technologie des lasers. Dans le même temps, la maîtrise des outils de biologie moléculaire et l'explosion des biotechnologies qui en a résulté, ont autorisé une modification à volonté des propriétés - y compris optiques - du milieu vivant. Une imagerie et une spectroscopie fonctionnelles cellulaire et moléculaire sont ainsi en train de se mettre en place. L'exposé présentera à travers quelques exemples, la nature des enjeux scientifiques et industriels associés à l'approche "" perturbative "" du fonctionnement des structures moléculaires et en particulier dans le domaine de la biologie. "

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LE MONDE QUANTIQUE AU TRAVAIL : L'OPTOÉLECTRONIQUE

L'optoélectronique est une discipline scientifique et technologique qui a trait la réalisation et l'étude de composants mettant en jeu l'interaction entre la lumière et les électrons dans la matière. Ces composants, qui permettent de transformer la lumière en courant électrique et réciproquement, sont des instruments privilégiés pour comprendre le nature de la lumière et des électrons. Il est donc peu étonnant que ce soit le tout premier composant opto-électronique (la cellule photoélectrique) qui soit à l'origine de la découverte d'Albert Einstein de la dualité onde-corpuscule. Dans cette Conférence, nous décrirons comment ce concept fondateur de la Physique Quantique a permis de comprendre les propriétés électroniques et optiques de la matière. Nous décrirons comment ces propriétés quantiques sont mises en oeuvre dans les quelques briques de base conceptuelles et technologiques à partir desquelles tous les composants optoélectroniques peuvent être élaborés et compris. Nous décrirons enfin quelques exemples de ces composants optoélectroniques qui ont changé profondément notre vie quotidienne : - les détecteurs quantiques (caméscopes, cellules solaires, infrarouge…) - les diodes électroluminescentes (affichage, éclairage, zapettes, …) - les diodes laser (réseaux de télécommunication, lecteurs de CD-DVD, internet, …) Nous explorerons finalement quelques nouvelles frontières de cette discipline, qui est un des domaines les plus actifs et des plus dynamiques de la Physique à l'heure actuelle.

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Paris, 18 octobre 2012

Les filaments cosmiques représentent la moitié de la masse de l'Univers
Une équipe internationale d'astronomes dirigée par Mathilde Jauzac, du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université), a réalisé la première étude en trois dimensions d'un filament cosmique de matière sombre. En utilisant des données du télescope spatial Hubble1, elle a pu découvrir que ce filament, inclus dans la toile cosmique, nourrit l'un des amas de galaxies les plus massifs de l'Univers et s'étend sur plus de 60 millions d'années-lumière. En extrapolant la très grande masse mesurée de ce filament à l'ensemble de la « toile cosmique », cette étude permet d'estimer que ces structures devraient contenir plus de la moitié de la masse totale de notre Univers. Ce résultat est publié en ligne sur MNRAS.
La théorie du Big Bang prédit que les fluctuations de matière aux premiers instants de notre Univers sont responsables de la condensation de la majorité de la matière et que celle-ci se concentre en un enchevêtrement de filaments. Cette hypothèse a été validée par les simulations numériques : elles suggèrent que notre Univers est structuré en une « toile cosmique » de filaments à l'intersection desquels se situent des amas de galaxies très massifs. Ces filaments, très étendus et très diffus, sont principalement constitués de matière sombre2.

Alors qu'un filament a été identifié pour la première fois en juillet 20123, une équipe internationale, comprenant des chercheurs français du LAM et du Centre de recherche astrophysique de Lyon (CNRS/ENS Lyon/Université Lyon 1), vient à son tour d'analyser un autre filament cosmique, mais cette fois en trois dimensions : une prouesse d'autant plus remarquable que ces filaments sont extrêmement étendus et très diffus, ce qui les rend très difficiles à détecter. Cette innovation a permis de déterminer la densité volumique du filament et de le comparer aux simulations.

Pour cela, l'équipe a combiné des images haute-résolution de l'amas de galaxies MACSJ0717 et du champ voisin provenant du télescope spatial Hubble, avec des images provenant des télescopes au sol Subaru (NAO) et Canada-France-Hawaii (CFHT), puis avec des données spectroscopiques des galaxies de l'amas provenant des observatoires Keck et Gemini.

Cette technique a notamment permis à l'équipe de localiser des milliers de galaxies au sein du filament, et de mesurer le déplacement de la plupart d'entre elles. C'est en combinant les positions et les vitesses de toutes ces galaxies que les astronomes ont pu révéler la forme du filament en trois dimensions, ainsi que son orientation : il s'étend sur près de 60 millions d'années-lumière de long derrière MACSJ0717, quasiment aligné avec notre ligne de visée. Il s'agit donc d'une structure exceptionnelle, même aux échelles astronomiques : si la masse mesurée peut être considérée comme représentative des filaments proches d'amas géants, alors les filaments cosmiques devraient contenir plus de la moitié de la masse de notre Univers, bien plus que ne le prévoyaient les théoriciens.

Le futur télescope spatial, le NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope4, sera un outil puissant et essentiel pour détecter ces filaments cosmiques, grâce à sa très haute résolution.

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Paris, 8 mars 2012

Première mesure de l'énergie minimum nécessaire pour inscrire un bit informatique
Dans un ordinateur, l'écriture ou l'effacement d'un bit d'information nécessite forcément de dépenser une énergie dont la plus petite valeur possible est donnée par le principe de Landauer. Cette importante prédiction physique qui fait le lien entre la théorie de l'information et la thermodynamique vient pour la première fois d'être vérifiée expérimentalement par des chercheurs du Laboratoire de physique de l'Ecole normale supérieure de Lyon (CNRS/ENS de Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1), en collaboration avec un groupe allemand de l'Université de Augsburg. Leurs travaux sont publiés dans la revue Nature du 8 mars 2012.
Peut-on imaginer mettre au point un ordinateur parfait capable d'effectuer des opérations logiques sans consommer aucune énergie ? A cette question, Rolf Landauer a répondu non en 1961. Le physicien américain avait en effet remarqué qu'à chaque fois qu'un bit d'information est créé, la mémoire binaire de l'ordinateur se voit réduite à un seul de ses deux états possibles. Faisant le lien avec la thermodynamique, Landauer a proposé que cette diminution du désordre exige pour être réalisée une quantité minimale d'énergie dont la valeur est aujourd'hui connue sous le nom de limite de Landauer (1). Vérifiée par des simulations numériques, cette énergie extrêmement faible (un milliard de fois plus petite que l'énergie nécessaire pour réchauffer d'un degré un micron cube d'eau) n'avait encore jamais été mesurée expérimentalement.
Dans l'expérience des chercheurs, c'est une bille en silice de 2 microns qui a joué le rôle du bit d'information. Plongée dans un liquide, la particule a été immobilisée par le faisceau extrêmement focalisé d'un laser, un instrument appelé ''pince optique'' couramment utilisé par les physiciens ou les biologistes. Pour leur expérience qui exige une très grande précision, les chercheurs ont conçu et construit eux-mêmes le dispositif de manière à le rendre totalement stable et insensible aux perturbations extérieures. Un deuxième piège optique identique a ensuite été focalisé juste à côté du premier. La bille microscopique peut ainsi occuper indifféremment deux positions possibles, tout comme un bit d'information peut prendre la valeur 0 ou 1. Les chercheurs ont ensuite créé un petit écoulement dans le liquide, de la droite vers la gauche, obligeant la particule à finir sa course dans le piège de gauche. Comme si on imposait au bit de prendre la valeur 1 par exemple. 
Répété un très grand nombre de fois, ce cycle a été filmé par une caméra rapide à plus de 1 000 images par seconde. Connaissant avec précision la position de la particule, la vitesse d'écoulement du fluide ainsi que sa viscosité, les chercheurs ont pu ainsi mesurer l'énergie moyenne nécessaire pour faire passer la bille du piège de droite vers le piège de gauche. Et ils ont alors remarqué que pour des vitesses d'écoulement très lentes, cette énergie était minimale et correspondait précisément à la limite de Landauer.
Si en informatique, le résultat n'offre pas de perspectives immédiates, nos ordinateurs étant encore très loin de fonctionner à la limite de Landauer, les nanotechnologies en revanche pourraient en bénéficier dans un futur proche. L'énergie dépensée par un système nanométrique est en effet comparable à celle mesurée par les chercheurs. Un paramètre important à prendre en compte si l'on veut mettre au point des machines miniatures capables de travailler avec une grande efficacité.