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Thomas Ebbesen: « Je me sens comme un explorateur »

Thomas Ebbesen: « Je me sens comme un explorateur »

25.11.2019, par
Thomas Ebbesen, physico-chimiste, recevra la médaille d'or du CNRS le 26 novembre pour la reconnaissance de l'ensemble de ses travaux.
Mardi 26 novembre, Thomas Ebbesen recevra la médaille d'or du CNRS. Auteur de plusieurs découvertes majeures, le physico-chimiste nous parle de ses travaux actuels pour percer les secrets de la matière.

Cet entretien a été publié dans le n°7 de la revue Carnets de science et dans le n° 297 de CNRS le Journal
  

La médaille d’or du CNRS vient récompenser votre parcours, marqué par des découvertes importantes dans différents domaines et teinté d’une approche transdisciplinaire…
Thomas Ebbesen1 : En la matière, je suis en effet un cas d’école : la multidisciplinarité, c’est ma marque de fabrique. J’ai changé de domaine de recherche trois fois. Avec les « états hybrides », mon sujet actuel, j’en suis au quatrième. J’ai d’abord fait une licence en biologie et en chimie, avant de faire une thèse en photochimie physique, sur la photosynthèse artificielle. Ensuite, j’ai travaillé sur les matériaux carbonés de 1990 à 2000. Dans ce domaine, j’ai trouvé la manière de fabriquer en grande quantité des nanotubes de carbone. Ces matériaux sont les plus résistants que l’homme connaisse. Puis j’ai fait un virage vers la nanophotonique et j’ai travaillé sur les réseaux de trous, ce qui m’a permis de mettre en évidence de nouvelles propriétés de la lumière (lire plus bas) et m’a valu le prix Kavli ainsi que le prix Quantum Electronics de la Société européenne de physique.

Aujourd’hui donc, je me consacre à l’électrodynamique quantique. À chaque fois que j’aborde un nouveau sujet, j’ai peu de connaissances du domaine et donc peu de préjugés sur ce qui est possible ou impossible, alors je teste, j’expérimente. Le fait de ne pas être confiné dans un domaine spécialisé me rend plus libre. Le but de la recherche scientifique c’est d’explorer non ? Moi, je me sens comme un explorateur.

Plus précisément, qu’explorez-vous actuellement ?
T. E. : Je travaille sur des états hybrides lumière-matière… et je m’amuse comme je ne me suis jamais amusé de ma vie ! Avec mon équipe, j’ai réussi à modifier les propriétés de la matière, uniquement via les fluctuations quantiques du vide. On savait jouer sur ces propriétés au moyen de la chimie ou en utilisant des lasers par exemple. Mais ce que nous faisons, c’est un peu de l’alchimie avec le vide. 
 

Wang Kuidong, post-doctorant en physique au Laboratoire des nanostructures, ici en pleine manipulation. Diplômé de l'Université Jiao Tong de Shanghai, le jeune chercheur a rejoint l'équipe très internationale de Thomas Ebbesen.
Wang Kuidong, post-doctorant en physique au Laboratoire des nanostructures, ici en pleine manipulation. Diplômé de l'Université Jiao Tong de Shanghai, le jeune chercheur a rejoint l'équipe très internationale de Thomas Ebbesen.

Comment procédez-vous ?
T. E. : C’est une manip assez simple : j’enferme des molécules dans une cavité optique formée par deux miroirs placés l’un en face de l’autre. Le tout dans le noir. Il n’y a aucune lumière, mais il y a, comme absolument partout dans l’Univers, des fluctuations quantiques du vide.

À chaque fois que j’aborde un nouveau sujet, j’ai peu de connaissances du domaine et donc peu de préjugés sur ce qui est possible ou impossible, alors je teste, j’expérimente.

Ces fluctuations correspondent à des champs électromagnétiques transitoires. Le jeu consiste à ajuster la distance entre les deux miroirs (avec un simple tournevis !) jusqu’à ce que les champs électromagnétiques entrent en résonance avec les molécules. Ce qui signifie qu’elles résonnent à la même fréquence, un peu comme des soldats qui marchent tous exactement au même pas sur un pont qui se met à vibrer en conséquence. Lorsque c’est le cas, les deux entités « se parlent » et s’échangent des photons « éphémères ». Ce qui a pour conséquence de changer les propriétés des molécules, notamment leur conductivité, leur réactivité chimique… On dit alors que la matière et la lumière (les fameuses fluctuations du vide) s’hybrident. Nous avons posté une vidéo en ligne afin que tout le monde puisse fabriquer le dispositif.

Ces dispositifs optiques permettent de piéger des billes dans un faisceau laser (à gauche) et de mesurer le mouvement aléatoire de particules (à droite).
Ces dispositifs optiques permettent de piéger des billes dans un faisceau laser (à gauche) et de mesurer le mouvement aléatoire de particules (à droite).

Quel cheminement intellectuel vous a mené à cette découverte ?
T. E. : Cela a démarré avec la lecture d'un article de Serge Haroche et Daniel Kleppner dans un journal de physique sur l’électrodynamique quantique en cavité. Je me suis alors demandé s'il serait ainsi possible de modifier la matière. C’était une idée incongrue, les physiciens qui avaient travaillé sur les interactions lumière-matière n’avaient pas pensé à explorer cette possibilité. Mais moi qui venais de la chimie, je n’avais pas d’a priori ; je me suis donc lancé. Je travaillais en particulier avec deux post-doctorants, l’un Australien, l’autre Israélien, respectivement chimiste et physicien. Ils ont brillamment mis en musique mon idée et un jour, au bout de deux ans de travail, on a mesuré un changement dans la réactivité chimique de nos molécules, nous étions super excités !

Cependant, dès l’obtention des premiers résultats, j’ai dû faire face à pas mal de résistance : les journaux très cotés, à qui j’avais soumis notre découverte, m’ont rétorqué que c’était de la science-fiction. Notre article a été refusé dans deux journaux, avant d’être accepté par un autre journal. Et même face à ces premiers résultats positifs, nombreux sont restés incrédules. C’est en effet très contre-intuitif, et pourtant c’est bien réel. Cela montre que la nature est pleine de surprises et que l’on n’a jamais fini de découvrir de nouvelles choses, comme on découvre sans cesse de nouveaux paysages.

Dès l’obtention des premiers résultats, j’ai dû faire face à pas mal de résistance : les journaux très cotés, à qui j’avais soumis notre découverte, m’ont rétorqué que c’était de la science-fiction. 

L’éclectisme au sein de vos équipes semble être une autre constante de votre parcours…
T. E. : J’ai eu la chance de toujours évoluer dans des milieux pluridisciplinaires, où des chercheurs aux spécialités très diverses interagissaient fortement. J’essaie en effet de maintenir cette synergie. Dans mon équipe, il y a aussi bien des physiciens et des chimistes que des biologistes. Je collabore tous les jours avec des profils très divers, aux compétences pointues : par exemple des experts en synthèse chimique, des spécialistes de l’activité enzymatique… Si je n’avais pas profité de toutes ces interactions, je n’aurais jamais pu obtenir tous ces résultats. Il faut dire aussi que je travaille dans une ambiance extraordinaire, où l’émulation et la bienveillance sont mêlées. C’est très stimulant, très enrichissant, ça m’inspire autant que ça me porte.

Thomas Ebbesen en compagnie de Kripa Joseph, qui effectue son postdoctorat en chimie dans le laboratoire, après avoir obtenu son master à l'Indian Institute of Science Education and Research.
Thomas Ebbesen en compagnie de Kripa Joseph, qui effectue son postdoctorat en chimie dans le laboratoire, après avoir obtenu son master à l'Indian Institute of Science Education and Research.

Au cours de votre carrière, vous avez travaillé pour le secteur privé (l’entreprise japonaise NEC), vous avez déposé plusieurs dizaines de brevets. Quelles sont les applications possibles de vos recherches sur l’hybridation lumière-matière ?
T. E. : Le premier avantage de notre approche, c’est de pouvoir baisser le coût énergétique d’une réaction visant à transformer de la matière. Depuis les pots d’échappement jusqu’à la pharmacologie, toute l’industrie utilise pour ce faire des catalyseurs. Pour franchir la barrière en deçà de laquelle aucune réaction ne se produit, il faut chauffer le dispositif. Plus ou moins en fonction de ce que l’on souhaite obtenir. Utiliser les fluctuations du vide peut permettre dans certains cas d’abaisser cette fameuse barrière, et donc de faire des économies drastiques d’énergie. Grâce à notre technique, dont la communauté s’est aujourd’hui emparée, une équipe japonaise est ainsi parvenue à faire baisser le coût énergétique d’une réaction d’un facteur 10 000. Cela signifie qu’en un temps donné, ils produisent 10 000 fois plus de molécules. Évidemment, cela commence à exciter beaucoup de monde…

Nous voulons savoir quelle vibration précise de telle molécule influe sur une réaction donnée. Autrement dit : quelle note de musique fait réagir l’audience. 

Des collaborations sont-elles déjà en cours avec l’industrie ?
T. E. : Je suis d’ores et déjà en contact avec deux grandes entreprises qui veulent voir si mon savoir-faire peut apporter une différence dans leurs procédés. Mais il faut noter que, pour l’heure, nous n’avons testé qu’un nombre limité de réactions chimiques. D’autres équipes dans le monde y travaillent de sorte qu’environ vingt réactions ont été étudiées à ce jour. Quand on en aura étudié une centaine, on sera peut-être en mesure d’extraire de toutes ces manips des grands principes fondamentaux car, à ce stade, nous comprenons mal nos expériences. 

Nous voulons savoir quelle vibration précise de telle molécule influe sur une réaction donnée. Autrement dit : quelle note de musique fait réagir l’audience. Nous voulons aussi explorer les conséquences pour la physique des solides, entrevoir des applications possibles en médecine. On ne voit pour le moment que la pointe de la partie émergée de l’iceberg… Mais comme je suis libre d’explorer à ma guise, nous allons pouvoir avancer.
 
Quand vous ne jouez pas avec les fluctuations électromagnétiques du vide ou les réseaux de trous, que faites-vous ?
T. E. : Je pars dans la France profonde, au bord de la Creuse. Là-bas, je déconnecte complètement, ce qui est indispensable pour garder le cerveau vif ! Je lis, je bricole, je fais du ciment, des travaux de peinture, bref, beaucoup de travaux manuels. Je m’occupe de mon champ, je contemple la beauté de la nature. Je me plais à me dire que j’ai, modestement, découvert certains de ses petits secrets. 
  
  

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Rien n’arrête la lumière

En 1998, Thomas Ebbesen a démontré un nouveau phénomène optique : la transmission extraordinaire. Il découvre que la lumière peut passer avec une grande efficacité par des ouvertures de taille plus petite que sa propre longueur d’onde, contrairement à ce qui était admis à l’époque.

En 1998, Thomas Ebbesen a reçu deux prestigieuses distinctions internationales pour avoir démontré un nouveau phénomène optique : la transmission extraordinaire. La lumière parvient à passer par des ouvertures plus petites que sa longueur d'onde. Ainsi, un film d'argent avec un trou entouré de sillons agit comme une antenne pour capturer la lumière.
En 1998, Thomas Ebbesen a reçu deux prestigieuses distinctions internationales pour avoir démontré un nouveau phénomène optique : la transmission extraordinaire. La lumière parvient à passer par des ouvertures plus petites que sa longueur d'onde. Ainsi, un film d'argent avec un trou entouré de sillons agit comme une antenne pour capturer la lumière.

Ce curieux phénomène est aujourd’hui bien compris : le  réseau de trous se comporte en réalité comme une antenne. En effet, sur la surface conductrice – la plaque de métal –, les électrons libres se rassemblent aléatoirement en groupes, appelés « plasmons ». Ces plasmons se calent sur le rythme du réseau, c’est-à-dire l’espacement entre les trous. On dit qu’ils entrent en résonance avec lui. Tout se passe alors comme si ces plasmons formaient une loupe au-dessus de chaque trou : ils concentrent les photons sur les trous et les réémettent. « Si, au départ, la probabilité qu’un photon passe entre les trous est très faible, les “loupes” augmentent fortement cette probabilité, résume lescientifique. La concentrationest telle qu’on se retrouve avec plus de lumière transmise que ne l’autorise la seule surface occupée par les trous. »

La découverte trouve ses origines dix ans plus tôt lorsque le scientifique travaillant à Tokyo pour la société Nec tombe sur un article du physicien Serge Haroche. Depuis elle a connu de nombreuses applications industrielles, de l’amélioration de la qualité des lasers à l’augmentation du rendement des fibres optiques. 

A lire 
Thomas Ebbesen, médaille d’or 2019 du CNRS
Communiqué de presse médaille d'or du CNRS 2019

A voir
L'alchimie du vide, conférence de Thomas Ebbesen lors du Forum du CNRS à la Cité des science et de l'industrie à Paris, le 26 octobre 2019.

Notes
  • 1. Professeur à l’Université de Strasbourg et directeur de l’Institut d’études avancées de l’Université de Strasbourg (CNRS/Université de Strasbourg).

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