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Des pyramides atomiques à la Coupole, JEAN-NOËL AQUA

Chercheur en pleine action et engagé, Jean-Noël Aqua*, membre du comité de  rédaction, nous fait découvrir des aspects inattendus des structures cristallines, nous  explique les liens entre recherche et politique.    

L’Académie des sciences t’a  décerné le prix Gustave Ribaud  2014. Quels travaux cela  consacre-t-il ?  

Le prix que j’ai obtenu, conjointement  avec Thomas Frisch,  récompense un travail de plusieurs  années sur la croissance  cristalline aux échelles atomiques.  Les méandres d’une  rivière ou les dunes de sable  sont des structures dites autoorganisées,  couramment observées  aux échelles géologiques.  Avec les technologies actuelles,  les échelles atomiques des  cristaux sont à portée d’observation  directe et laissent découvrir  des organisations étrangement  ressemblantes.  L’auto-organisation est la propriété  de certains systèmes dynamiques  de former des structures  ordonnées, sans que cet  ordre soit imposé de l’extérieur.  Nous avons ainsi modélisé l’autoorganisation  de boîtes quantiques  à la surface de cristaux.  Sur les cristaux de silicium-germanium,  on observe de spectaculaires  pyramides similaires  aux pyramides égyptiennes…  mais infiniment petites.  

Qu’est-ce qu’une boîte  quantique ? 

C’est un objet dont les dimensions  sont petites par rapport  aux longueurs d’onde quantiques  ; typiquement, de l’ordre  du nanomètre (un millième de  millième de millimètre, la taille  de l’atome). La matière condensée  qui nous intéresse est essentiellement  constituée par des  atomes, eux-mêmes constitués  de noyaux et d’électrons.  L’organisation des atomes détermine  le comportement des électrons  qui assurent, eux, les propriétés  de la matière, du courant  électrique aux propriétés optiques.  Du fait de leur très faible masse,  les électrons sont véritablement  régis par les lois de la mécanique  quantique qui se substituent,  dans l’infiniment petit, à celles  de la mécanique classique que  l’on connaît à nos échelles. La  révolution conceptuelle introduite  par la mécanique quantique  consiste à décrire la matière,  les particules, en termes d’ondes  et, inversement, les ondes en  termes de particules.  

Quelles sont leurs propriétés ?  

Les propriétés habituelles des  ondes s’appliquent ainsi aux  électrons, comme le phénomène  de résonance. La note  émise par une corde de guitare  dépend de la position du doigt :  la longueur de la corde qui vibre  détermine la fréquence de la  note. C’est la même chose dans  une boîte quantique : la fréquence  de l’onde électronique  est fixée par la taille de la boîte  dans laquelle est l’électron. C’est  déterminant pour les niveaux  d’énergie des électrons et pour  les photons qu’ils émettent :  leur « couleur » est très précisément  déterminée par la taille  de la boîte qui produit ainsi  des photons indiscernables.  Contrôler les tailles mais aussi  les formes des boîtes se révèle  donc déterminant.  

Peut-on contrôler la croissance  d’objets auto-organisés?  

C’est tout l’enjeu. Tout d’abord  il s’agit de comprendre cette  auto-organisation et les mécanismes  à l’oeuvre dans les expériences.  Nous avons étudié la  croissance résultant d’une instabilité.  Quand on chauffe (mais  pas trop) de l’eau dans une casserole,  il apparaît des rouleaux  de convection où l’eau chaude  et légère du bas remonte à la  surface où l’eau est plus froide  et plus dense. C’est une instabilité,  et la taille typique des  rouleaux est fixée par les paramètres  du système. On fait des  observations similaires à la surface  des cristaux. Quand un film  cristallin est déposé sur un substrat, les interactions entre les  cristaux génèrent des mouvements  de matière à la surface  et des modulations périodiques  dont la taille est fixée par le système.  La compréhension des  mécanismes de la croissance  nous permet ensuite de jouer  sur les bons paramètres (température,  composition…) afin  que le film de cristaux s’organise  comme on voudrait. Un  des enjeux est de produire des  assemblages de boîtes quantiques  avec exactement la même  taille. De façon plus subtile, on  peut aussi biaiser légèrement  les mouvements à la surface  afin d’« améliorer » l’ordre naturel  issu de l’auto-organisation.  

Quels résultats as-tu obtenus ?  

Nous avons fourni un cadre  théorique permettant de décrire  cette instabilité des surfaces  cristallines. La difficulté majeure  réside dans la description d’une  dynamique dite non locale.  C’est-à-dire que l’évolution des  atomes en un endroit est influencée  par les autres atomes, même  éloignés. On doit donc garder  la trace de l’ensemble du système.  C’est un effort colossal  pour des simulations numériques  qui ont été initialement  tentées. Nous avons adopté la  technique « du pauvre » en calculant  les équations d’évolution  du système globalement  et en les résolvant ensuite. Cela  nous a permis d’explorer la dynamique  aux temps longs, dite  non linéaire, et d’expliquer les  observations expérimentales.  Par exemple, on a pu montrer  que le mouillage (similaire à  celui qui fait qu’une goutte d’eau  s’étale ou non sur une poêle)  induit une évolution régulière  et ainsi caractériser le mûrissement  du cristal.  

Qu’est-ce que le mûrissement  d’un cristal ?  

Le mûrissement (dit d’Ostwald)  est l’application du principe  plus je suis grand, plus je grandis.  Comme nous parlons de  physique, nous pouvons dire  ici qu’il s’agit d’une loi naturelle.  On l’observe quand on  verse l’eau dans son pastis : les  plus grosses gouttes d’alcool  grandissent au détriment des  plus petites, provoquant le changement  de couleur. On observe  ce mûrissement sur nos surfaces  cristallines. Nous avons  montré que l’anisotropie cristalline  (qui assure les jolies  formes facettées des cristaux,  comme celles du diamant ou  des flocons de neige) peut bloquer  la dynamique du mûrissement,  ce qui a effectivement  été observé.  

Le prix Gustave Ribaud concerne  l’application de la science  à l’industrie. Quel lien entre  tes recherches et l’industrie ?  

Les boîtes quantiques sont d’ores  et déjà utilisées dans l’industrie  de la microélectronique, de  l’optique et dans l’imagerie  médicale. Elles sont ainsi utilisées  dans des écrans de téléviseur  Sony ou d’ordinateur  Nanosys. Mais le potentiel des  boîtes quantiques demeure  énorme, notamment pour le  photovoltaïque, le stockage de  données, ou pour l’ordinateur  quantique qui serait une vraie  révolution technologique. En  fait, nous étudions particulièrement  les cristaux de silicium  et germanium, qui sont à la base  de l’industrie électronique. Il  se trouve que ces systèmes sont  des systèmes modèles de la croissance  cristalline. Il y a donc une  convergence d’intérêt. Un de  mes étudiants a ainsi été embauché  sur ce sujet par un industriel  chinois juste après sa thèse.  Les projets que j’ai développés  avec des industriels concernent  le contrôle de la position des  boîtes quantiques.  

Comment apprécies-tu le lien  entre recherche fondamentale  et industrie ?  

Cette interaction peut être fructueuse…  mais sous conditions!  La vision d’une culture qui serait  l’affaire d’un esprit détaché du  monde matériel est une ineptie.  La vision d’une science « pure »,  détachée de la société qui la produit,  me semble tout aussi douteuse.  Mais il est absolument  décisif de réaffirmer l’importance  d’une science fondamentale,  qui ne se pose pas a priori  la question de l’application. Pour  que ces interactions fonctionnent,  il faut laisser à la recherche  la possibilité de se développer  avec sa propre temporalité, qui  est le temps long. Lui laisser sa  sérendipité, qui décrit le fait que  les grandes découvertes se font  souvent avec une bonne part de  hasard, de façon accidentelle.  Elles sont impossibles à planifier  dans des projets ficelés avec  une précision de tableur Excel.  Mais évidemment la science fondamentale  ne doit pas s’interdire  par principe d’interagir avec  la société, et avec le système de  production. L’histoire donne de  multiples exemples d’interactions  fécondes. Mon exemple  préféré est celui de Boltzmann.  La révolution industrielle du  XIXe siècle est basée sur des  moteurs dont les rendements  sont limités. C’était incompréhensible  dans le cadre de la description  mécanique de l’époque.  Boltzmann va donc développer  la grande révolution qu’est la  physique statistique, qui décrit  en termes de probabilités le passage  entre l’infiniment petit et  la thermodynamique. Il va ainsi  toucher au concept d’irréversibilité,  à la base de la conception  moderne de la flèche du temps.  Et c’est pour approfondir l’origine  de cette irréversibilité que  Planck va ensuite étudier la  lumière émise par un corps  chaud… débouchant sur l’autre  grande révolution qu’est la  mécanique quantique. Toute  cette aventure à partir de l’efficacité  des moteurs ! En sens  inverse, les applications de la  recherche dans l’industrie sont  légion. Pour fermer la boucle,  on pourrait citer le laser et le  transistor, qui ont été étudiés  initialement pour tester les lois  de la mécanique quantique, sans  application a priori… Ils sont  aujourd’hui omniprésents dans  l’industrie de la micro-électronique!  

Le monde de la recherche  est à nouveau en ébullition.  Qu’en penses-tu ?  

Je tiens à préciser ma dette envers  les luttes de la recherche de  2004, qui ont obtenu des postes  supplémentaires, dont le mien.  Un poste de fonctionnaire me  permettant de chercher avec  une sécurité d’emploi, condition  de liberté intellectuelle que  mes collègues américains m’envient.  Aujourd’hui, l’emploi  scientifique est en crise.  Contrairement à la communication  du gouvernement, le  nombre de postes ne cesse de  baisser au CNRS comme à  l’Université. C’est notre potentiel  de recherche que l’on abîme,  et par ricochet le développement  industriel et économique.  Une dégradation lente, non  spectaculaire, mais bien réelle.  Il faut d’autres perspectives pour  les jeunes en termes de postes  et, bien au-delà, pour la science  dans la société. Les entreprises  tendent à transférer le risque et  le coût de la recherche et développement  à la recherche  publique. Nous devons au  contraire lui garantir sa liberté,  et donc des moyens pérennes,  sans contrainte de tel ou tel  groupe de pression. Nous devons  aussi travailler la question du  progrès, sans peur systématique  ni aveuglement, lui donner du  sens, en donnant à chacun les  moyens d’en saisir les enjeux.  C’est à cette condition que les  chercheurs sortiront de la nasse  stérilisante dans laquelle les  libéraux les enserrent progressivement.  C’est à cette condition  que l’aventure des connaissances  pourra déployer tous ses  possibles.

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