Jacqueline Bloch, magicienne de la lumière
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Jacqueline Bloch, magicienne de la lumière
Dans la paume de sa main, elle exhibe comme un fabuleux trésor un demi-cercle ultra-réfléchissant, aussi fin qu’une lame de rasoir. « Voilà typiquement un échantillon de microcavités que l’on fabrique ici même, au Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N)1 ! » La magicienne des lieux, Jacqueline Bloch, 59 ans, regard rieur assorti à sa voix joyeuse et à son grand sourire lumineux quasi constant, utilise ce laboratoire miniature pour mêler lumière [7] et matière et ainsi ausculter le monde quantique. Aujourd’hui directrice de recherche au C2N, membre de l’Académie des sciences, elle vient de se voir décerner la médaille d’or [8] 2026 du CNRS.
Comment devient-on magicienne de la lumière ? « Mon père, Claude Bloch, était un grand physicien, et je l’ai perdu quand j’avais 4 ans, raconte-t-elle dans un premier sourire ému. Mon oncle était également scientifique. J’ai donc grandi dans l’admiration de ce père brillant que je n’ai pas connu, et plus généralement dans une sorte d’aura de physiciens, qui m’a montré la lumière. » La petite Jacqueline amorce donc son existence avec l’envie de devenir chercheuse en physique.
La révélation des polaritons
Après le lycée et une année de prépa, elle opte pour l’École supérieure de physique et de chimie industrielles (ESPCI). « J’ai adoré les enseignements, surtout les travaux pratiques, durant lesquels on avait toute liberté pour monter une expérience scientifique. C’était passionnant ! J’y ai rencontré deux professeurs extraordinaires : Claude Boccara, en optique, et Jacques Lewiner, en physique des solides. »
Inspirée par leurs enseignements, elle s’aventure à la croisée de ces deux disciplines. Après un DEA en physique de la matière condensée, Jacqueline Bloch poursuit avec une thèse au Laboratoire de microstructures et de microélectronique (L2M), sur le comportement des électrons dans des nanostructures.
Suit, deux années plus tard, sa véritable révélation : les polaritons, qui naissent notamment dans les microcavités semblables à celle que la chercheuse nous a présentée dans sa main. Le plus souvent de taille micrométrique2, ces cavités sont composées de très fines couches de semi-conducteurs prises en sandwich entre deux miroirs se faisant face. Lorsqu’ils sont capturés dans ce piège, les photons rebondissent continuellement entre les deux miroirs. En traversant les couches de semi-conducteurs, ils peuvent transmettre leur énergie à des électrons présents dans les semi-conducteurs, les catapultant vers un niveau d’énergie supérieur.
Cette excitation du matériau forme ce que les physiciens appellent un « exciton ». Or celui-ci peut, à son tour, restituer son énergie en émettant un photon. Ainsi, au sein de la microcavité, l’énergie passe tour à tour – et très rapidement – de la lumière à la matière, et inversement. De sorte qu’il n’est plus possible de distinguer le photon de l’exciton. Le duo a formé un nouvel objet quantique mi-lumière mi-excitation de matière : le polariton.
« La part lumineuse des polaritons nous permet de les observer. En effet, les miroirs n’étant pas parfaits, une partie de la lumière s’échappe de la cavité et peut donc être mesurée par nos détecteurs. En étudiant cette lumière, nous sommes en mesure de reconstituer le comportement des polaritons à l’intérieur du système, précise la chercheuse. Leur part matérielle, quant à elle, leur confère la possibilité d’interagir les uns avec les autres, alors que les photons n’entrent presque jamais en collision. Il devient alors possible de transformer la lumière en une sorte de fluide malléable. »
Des entités hybrides
Tout au long de sa carrière, Jacqueline Bloch n’aura de cesse de jouer avec ces extraordinaires objets hybrides, laboratoires uniques pour observer, mais aussi pour reproduire et manipuler les phénomènes physiques. Juste après sa thèse, décrochée en 1994, elle est recrutée au CNRS en tant que chargée de recherche au L2M.
« J’ai tout de suite eu envie d’étudier en profondeur les propriétés de ces polaritons, raconte-t-elle. En tirant ce fil, je n’avais aucune idée d’où il allait me mener. » D’emblée, assez loin. Dès 1997, elle signe plusieurs publications qui, dans la communauté, suscitent une vive attention.
Elle montre notamment qu’il est possible de sculpter la microcavité en forme de pilier. Cela revient, en quelque sorte, à ajouter des murs sur les côtés du sandwich et permet donc, en immobilisant les photons dans une minuscule zone, de mieux contrôler les états qu’ils peuvent occuper.
Terrains de jeu
En 1998, elle retrouve son conjoint, postdoctorant aux États-Unis, et intègre les prestigieux laboratoires Bell en tant que chercheuse invitée. Là-bas, dans ce temple de l’innovation, elle se forme aux techniques de spectroscopie ultrarapide, qui permettent de suivre en temps réel l’évolution des polaritons.
Et c’est aussi là-bas, en Amérique, qu’elle donne naissance à son premier enfant. Son second naîtra en France, trois ans plus tard. Aujourd’hui âgés de 24 et 27 ans, ses fils sont tous deux scientifiques en devenir, l’un physicien, l’autre chimiste. Outre la science, la famille partage une autre passion : la montagne. « Nous continuons à randonner ensemble été comme hiver ! ». Sourire fier.
De retour en France en l’an 2000, Jacqueline Bloch réintègre le L2M. Elle y retrouve avec bonheur non seulement son terrain de jeu préféré – les microcavités d’où elle fait surgir des entités hybrides –, mais aussi ses coéquipiers.
« Une formidable aventure collective »
« Pour avancer dans mes recherches, j’ai beaucoup bénéficié de l’incomparable savoir-faire “maison” en matière de fabrication d’échantillons, souligne-t-elle. En particulier, Isabelle Sagnes et Aristide Lemaître savaient façonner des microcavités de grande qualité. Et, tout au long de ma carrière, j’ai eu la chance de travailler dans un environnement très stimulant, avec des doctorants et postdocs de multiples nationalités, avec deux jeunes collègues chercheurs brillants et talentueux, Alberto Amo et Sylvain Ravets, et au sein de nombreuses collaborations au niveau national et international. Je vis une formidable aventure collective qui permet d’explorer de multiples horizons ! »
Dans les années qui suivent, elle vogue vers celui de l’optique non linéaire. Dans un système dit « linéaire », lorsque l’on ajoute deux fois plus de lumière, on obtient sur le détecteur un signal deux fois plus intense, sans pour autant que sa nature change.
Mais, en injectant massivement de la lumière dans un espace particulièrement confiné, Jacqueline Bloch parvient à faire considérablement augmenter le nombre de polaritons, donc leurs interactions. De ses cavités peuvent alors émerger des comportements collectifs totalement inédits : la lumière peut se changer en une sorte de fluide, s’écouler, dessiner des tourbillons. Magicienne, on vous dit.
Rigueur scientifique
Avec de tels systèmes, dits « non linéaires », Jacqueline Bloch fait danser ses entités hybrides en parfaite synchronisation jusqu’à ce qu’elles ne forment plus qu’un seul et même objet que les physiciens appellent un « condensat de Bose-Einstein3 » pour les polaritons. En 2010, elle frappe l’un des grands coups de sa carrière. Elle utilise ses cavités, sculptées en différentes formes, pour manipuler le mouvement des condensats de polaritons.
Mais, à l’époque, les interprétations de ces expériences font débat : s’agit-il vraiment d’un condensat ou bien d’un simple laser ? Il est vrai que, sur les mesures, la différence de signal est subtile… La chercheuse s’emploie alors à clarifier la distinction entre les deux, avec force explications qui servent aujourd’hui de référence.
Dans un sourire plein d’humilité, elle confirme : « J’ai été reconnue pour ma rigueur scientifique ». Et pour ses percées, qui vont s’enchaîner.
Simuler l’horizon d'un trou noir
Jamais à court d’imagination, Jacqueline Bloch sculpte toujours plus de formes avec ses microcavités pour imposer aux polaritons un parcours et des règles de déplacement précis, et ainsi parfaire son exploration de la matière. Elle façonne des piliers, que l’on peut ensuite assembler comme des pièces de Lego, mais aussi des microcircuits ou des structures fractales aux propriétés mathématiques fascinantes. En 2015, elle simule, avec ses merveilleux fluides de lumière, rien de moins que l’horizon d’un trou noir.
« Dans notre expérience, nous faisons couler un fluide de polaritons et, sur son chemin, plaçons un défaut de quelques micromètres, explique la chercheuse. C’est un peu technique, alors retenez que ce défaut a pour effet d’accélérer le fluide dans son ensemble, mais de ralentir les petites ondes de densité qui voyagent en son sein. De ce fait, en amont du défaut, le fluide avance moins vite que les petites vagues et, telles des poissons dans une rivière, elles peuvent encore remonter le courant. Mais, en aval, le fluide est plus rapide : même celles qui tentent de revenir en arrière sont emportées. Une frontière apparaît alors, mathématiquement semblable à celle de l’horizon d’un trou noir, d’où rien, pas même la lumière, ne peut s’échapper. »
L’un des objectifs de ce monstre cosmique miniature est de mettre en lumière le rayonnement de Hawking, prédit par le physicien Stephen Hawking dans les années 1970. « À ce jour, nous n’avons pas encore mis la main dessus, mais la recherche se poursuit activement, en particulier au Laboratoire Kastler Brossel4, avec qui nous collaborons. »
Dans l’intimité de la matière
En parallèle, Jacqueline Bloch a planché sur un autre tour de magie, avec cette fois pour objectif de pénétrer dans l’intimité de la matière. Comment l’architecture d’un matériau dicte-t-elle le comportement de ses particules et ainsi lui confère-t-elle ses propriétés ?
Ce qui se joue à l’échelle des atomes est invisible… Pour y accéder, la physicienne entreprend de construire des sortes de maquettes de ces matériaux à plus grande échelle – et ce, grâce à ses microcavités sculptées comme des pièces de Lego. Ainsi, en 2014, l’équipe assemble une structure en nid-d’abeilles au sein de laquelle les polaritons reproduisent certaines propriétés du graphène (connu pour ses remarquables propriétés de conduction). Une première.
Grâce à ces maquettes, Jacqueline Bloch et ses collègues peuvent à loisir changer certains paramètres afin d’explorer tout le potentiel du matériau ou encore vérifier des prédictions théoriques. Mais ils peuvent aussi modifier les architectures et ainsi explorer des matériaux qui n’existent pas dans la nature.
« Aider les jeunes talents féminins »
En 2016, le L2M devient le C2N5, mais Jacqueline Bloch reste Jacqueline Bloch. Elle collectionne prix et retentissantes publications, brille pour ses résultats aussi bien que pour l’enthousiasme et la clarté avec lesquels elle les présente en conférence. Un talent qui l’a toujours poussée à faire de l’enseignement : « J’aime beaucoup cette autre partie de mon activité. J’aime par exemple faire des TD en petits groupes, être proche des élèves ».
Tant et si bien qu’elle s’engagera aussi quelques années plus tard comme mentore au sein d’un programme de mentorat en partenariat avec l’association Femmes & Sciences6. « Il s’agit d’accompagner des jeunes chercheuses tout au long de leur doctorat, non pas sur leurs recherches, mais sur les à-côtés : l’organisation du travail, la gestion des interactions avec le/la directeur(trice) de thèse. À l’heure où le nombre de femmes en sciences [12] baisse chaque année, essayons d’aider les jeunes talents féminins qui ont choisi l’aventure de la recherche ! »
Technologies disruptives
Enseignante et désormais mentore, Jacqueline Bloch ne s’est jamais détournée de la recherche, tant s’en faut. En 2022, son équipe montre – encore une grande première – que les fluctuations d’un condensat de polaritons semblent obéir aux mêmes lois universelles qui dictent la croissance du givre sur une vitre, ou la progression du feu sur une feuille de papier. Et, en 2025, elle démontre dans ses expériences le même phénomène « non plus en une, mais en deux dimensions, ce qui a nécessité des analyses encore plus sophistiquées ».
Fructueuses, les recherches de Jacqueline Bloch et de ses coéquipiers pourraient un jour mener à des technologies disruptives. « C’est vrai qu’elles suscitent l’espoir de pouvoir par exemple traiter et transmettre l’information uniquement avec de la lumière (avec, à la clé, la possibilité de réduire fortement l’empreinte énergétique des technologies numériques, Ndlr). Nos recherches débouchent justement parfois sur des preuves de concept. Mais ce que j’aime surtout, conclut-elle dans l’un de ses lumineux sourires, c’est la recherche fondamentale ! Il y a encore tant à découvrir… » Rendez-vous au prochain tour de magie.
Consultez aussi
Maïmouna Bocoum : la physique son et lumière [13]
Hong Wang : de Fields en aiguille [14]
Pascale Senellart, au cœur de la révolution quantique [15]
- 1. Unité CNRS/Université Paris-Saclay.
- 2. 1 micromètre = 1 millième de millimètre.
- 3. Un condensat de Bose-Einstein est un phénomène quantique lors duquel une foule de particules se comportent comme une seule et même onde cohérente.
- 4. LKB, unité CNRS/Collège de France/ENS-PSL/Sorbonne Université.
- 5. Dans les années 2000, le L2M était d’abord devenu le LPN, implanté à Marcoussis.
- 6. Programme de mentorat pour les doctorantes de l’Institut polytechnique de Paris, en partenariat avec l’association Femmes & Sciences : https://www.femmesetsciences.fr [16]
Voir aussi
