L'Alchimie du Vide - Interactions lumière-matière en chimie physique - Leçon inaugurale de Thomas Ebbesen

Rediffusion du 1er mars 2019

Comment le vide n'est-il pas rien et s'avère-t-il rempli d’énergie et de particules virtuelles ? Qu'est-ce que  la "transmission optique extraordinaire" et quelles sont les conséquences technologiques de ce phénomène ?

Médaille d'or du CNRS en 2019, Professeur invité au Collège de France, titulaire de la chaire annuelle Innovation technologique Liliane Bettencourt, Thomas Ebbesen s'attache à présenter, lors de sa leçon inaugurale, l'avancée de travaux complexes, mais fondamentaux pour notre vie de tous les jours, de l'évolution des plantes au dernier smartphone !

De manière très pédagogique avec cette poésie propre à certains scientifiques dans le choix des exemples, il interroge les cas d'interactions lumière-matière dans la vie quotidienne et comment ces interactions jouent un rôle fondamental dans l'existence même de la biosphère.

Comment les plantes ont-elles développé, par exemple, "des antennes moléculaires pour collecter le flux de photons du soleil qui est relativement faible" ? Comment la lumière est-elle absorbée par la matière et que nous apprend,  dans ce cas-là, le simple atome de l'hydrogène ? Comment "la physique quantique est-elle née des observations spectroscopiques" ?

Ici nous entrons aussi dans une passionnante histoire des sciences, depuis l'Antiquité jusqu'à nos jours, avec ses grandes questions et ses découvertes, parfois vraiment contre-intuitives ! Monde qui peut relever de la "science-fiction" selon la formule de Thomas Ebbesen, au moment où il faut présenter les travaux, mais qui ouvre bien des perspectives, où l'on croise, entre autres, Pascal, Einstein, un spécialiste japonais en micro-fabrication et Serge Haroche, que les habitués du Collège de France reconnaîtront, professeur émérite au Collège de France et colauréat du Prix Nobel de physique en 2012.

"Ce qui peut paraître plus surprenant, explique Thomas Ebbesen, pour les non physiciens, est que les interactions entre la lumière et la matière interviennent même dans l'obscurité la plus totale. De manière plus générale, elles entrent en jeu dans les forces intermoléculaires, dans un liquide ou dans un tissu biologique, et ont donc un rôle vital. On ne peut vraiment comprendre ces types d'interaction sans mieux comprendre le rôle du vide". Comment "expliquer alors à une audience large quelques notions d'électrodynamique quantique", sans trop réduire l'approche des spécialistes ?

"La physique quantique et ses récents développements ont permis de mettre en évidence et d’observer de nouveaux phénomènes liés à ces interactions, notamment dans l’obscurité la plus totale", est-il indiqué dans la présentation de Thomas Ebbesen.

"En 1988, il a rejoint le laboratoire de NEC au Japon, où ses recherches ont évolué vers l’étude des nanomatériaux de carbone tels que le C60, le graphène et les nanotubes (...)"

"Chez NEC, Ebbesen découvre aussi un nouveau phénomène optique : la transmission extraordinaire de la lumière dans des trous de dimensions inférieures à la longueur d’ondeoù les plasmons de surface jouent un rôle clé dans l’exaltation de la transmission. Le phénomène soulève des questions fondamentales et offre un vaste potentiel d’application allant de la chimie à l’opto-électronique. Pour cette découverte, Ebbesen reçoit plusieurs distinctions dont le Prix France Télécom 2005 de l’Académie des sciences, le Prix de l’Électronique et optique quantique en 2009 de la Société européenne de physique et le Prix Kavli pour les nanosciences en 2014 qu’il partage avec Stefan W. Hell et Sir John Pendry pour leurs travaux pionniers en nano-optique."

Il dirige actuellement l’ Institut d’études avancées de l’Université de Strasbourg et le Centre international pour la recherche aux frontières de la chimie.  Ses travaux "précurseurs", dans les nanosciences, s’attachent à mieux comprendre ces phénomènes dits de « couplage fort lumière-matière » et d’en explorer les conséquences sur les propriétés des molécules et des matériaux. Dans sa leçon inaugurale, Thomas Ebbesen explique :

"On reconnaît deux régimes d’interaction lumière-matière : le couplage faible et le couplage fort. Le couplage faible induit des changements par exemple dans les propriétés radiatives des molécules comme dans les travaux de Drexhage. Dans le couplage fort, l’interaction est si intense qu’elle induit une modification des niveaux d’énergie. Cette modification devrait avoir des conséquences plus importantes sur les propriétés matérielles que le couplage faible."

Alors comment le couplage fort, que nous allons découvrir dans l'heure, apparaît-il comme un nouvel outil pour la chimie sélective ? Comment l'hybridation lumière-matière est-elle un instrument unique pour modifier les propriétés microscopiques et macroscopiques des matériaux moléculaires ?

Nous gagnons tout de suite l’amphithéâtre du Collège de France, pour la leçon inaugurale de Thomas Ebbesen " L'Alchimie du Vide - Interactions lumière-matière en chimie physique" donnée le 2 mai 2018.

Alain Prochiantz, administrateur du Collège de France et titulaire de la  chaire "Processus morphogénétique" introduit cette leçon inaugurale.

C'est Françoise Combes, titulaire de la chaire "Galaxies et cosmologie" qui rappelle le riche parcours et les enjeux des "découvertes ingénieuses", selon son mot, de Thomas Ebbesen.