Nathalie Perret

Lauréate 2001 du Concours de vulgarisation scientifique (Prix de l'ACFAS)

Les douze dernières années de Nathalie Perret ont été empreintes de voyages. Voyages dans le temps, dans l'espace et dans la dimension zéro : celle des boîtes quantiques. Avec ses diplômes de physique obtenus en France, en Angleterre, en Australie et au Canada (Université de Sherbrooke), Nathalie Perret s'est taillé une spécialité autour des propriétés optiques des nanostructures semi-conductrices. La vulgarisation représentait pour elle un bon exercice.

« Ce que j'ai trouvé difficile, c'est le contenu. J'aurais voulu en mettre davantage », raconte-t-elle. Forte de ses seize présentations et publications, et de ses expériences de recherche et de monitorat, cette lauréate se voit dédiée à un brillant avenir. Avec un doctorat en main, elle compte se trouver un emploi dans un laboratoire de R-D en télécommunications ou en micro-électronique.

Lumière sur les boîtes quantiques

Si nous voulons que l'ordinateur ou le cellulaire que nous utilisons deviennent encore plus petits et plus performants, nous n'avons plus le choix : il faut changer de technologie, abandonner les règles classiques et entrer dans le monde quantique! Ce monde mystérieux est aujourd'hui à notre portée. Et c'est de lui que dépend, peut-être, la prochaine révolution technologique.

Prenez la miniaturisation. Généralement, pour étendre les performances d'un appareil électronique, il faut augmenter le nombre de ses composants. Mais il faut aussi éviter que ces appareils deviennent gigantesques! Le premier ordinateur électronique (1946) qui était en fait une machine à calculer non programmable, pesait plus de 30 tonnes. Que serait-il devenu, aujourd'hui, si nous avions continué dans cette voie? Très rapidement, on a compris qu'il était indispensable de réduire considérablement la taille des composants, tout en préservant ou même en augmentant leur efficacité. Leurs dimensions, qui faisaient plusieurs centimètres, ont donc été progressivement ramenées à quelque dixièmes de micromètres (10-7 m). Mais jusqu'où peut-on aller? Nous avons pratiquement atteint la limite de miniaturisation avec les technologies actuelles. La réponse est ailleurs. On a récemment réussi à mettre au point de nouveaux matériaux qui permettraient d'aller au delà de cette limite. Ces matériaux comprennent des structures extrêmement petites (de quelques nanomètres, soit 10-9 m), appelées boîtes quantiques, dans lesquelles on a mis en évidence une structure électronique semblable à celle observée dans le cas des atomes. Il y a seulement dix ans, on ne pouvait qu'en rêver ! La réalisation de boîtes dans lesquelles on pourrait « piéger » un petit nombre d'électrons (moins de 100) semblait inaccessible aux physiciens. Les boîtes quantiques sont en fait de petits amas d'atomes - ils en contiennent plusieurs milliers - qui se forment spontanément lorsqu'on dépose une très faible quantité d'un matériau semi-conducteur à la surface d'un autre matériau semi-conducteur de structure très différente. Les îlots d'atomes se constituent un peu comme des gouttelettes d'eau après la formation de buée. Les boîtes ont d'ailleurs la même forme que les gouttelettes d'eau, mais elles sont un million de fois plus petites, on ne peut les observer qu'à l'aide d'un microscope électronique. Une fois formées, elles sont recouvertes d'une couche protectrice.

Le grand intérêt de ces structures repose sur la possibilité de les sculpter selon nos désirs, c'est-à-dire de modifier leur composition, leur taille, leur forme et leur nombre pendant la fabrication. Il suffit de faire varier des paramètres comme la température, la quantité et la vitesse à laquelle le matériau est déposé sur la surface pour changer à volonté leurs propriétés lumineuses.

Dans les matériaux semi-conducteurs traditionnels, les électrons libres qui sont responsables du courant électrique peuvent être très nombreux et caractérisés par des vitesses et des énergies différentes et multiples. Comme ces matériaux sont de très grandes dimensions par rapport à un atome, l'électron est libre de se déplacer dans un univers à trois dimensions (3D). Si on réduit la taille du matériau pour en faire une feuille très fine (2D), les électrons ne peuvent plus se déplacer que dans ce plan. Puis, si l'on réduit encore, ils ne se déplacent plus que sur une ligne (1D), pour finalement, se retrouver confinés dans une boîte minuscule (0D). Le fait de réduire les dimensions a comme effet principal de limiter à quelques dizaines le nombre d'électrons dans les boîtes quantiques. Et, comme dans les atomes, ces électrons ne peuvent prendre qu'un nombre limité d'états bien distincts, contrairement aux matériaux conventionnels. Ces structures sont surnommées « atomes artificiels » et leurs propriétés lumineuses présentent autant d'intérêt.

D'où vient la lumière? Le principe est simple : son apparition est liée à un changement d'état de l'électron. Lorsqu'on éclaire un matériau ou qu'on lui fournit de l'électricité, on introduit des électrons qui, en changeant spontanément d'état (ou d'énergie), émettront ensuite de la lumière. Puisque dans les boîtes quantiques le nombre d'états est faible, la lumière émise est très pure et correspond à une longueur d'onde très précise (c'est-à-dire à une couleur bien distincte). La longueur d'onde de la lumière émise par les boîtes quantiques dépend seulement de leur nature et de la taille des boîtes. Généralement, les autres sources de lumière, comme les lampes que nous utilisons, émettent un grand nombre de longueurs d'onde simultanément. La lumière blanche, par exemple, contient toutes les couleurs. Même les lasers conventionnels ne peuvent émettre une lumière aussi pure que celle des boîtes quantiques. De plus, le petit nombre d'états possibles des électrons rend les boîtes très sensibles à la couleur ou à l'énergie d'un rayonnement environnant. Enfin, la toute petite taille des boîtes permet d'en juxtaposer un très grand nombre, ce qui est aussi indispensable pour que la lumière émise par le matériau soit suffisamment intense.

Par ailleurs, pour que le matériau soit utile pour des applications comme les lasers ou les détecteurs, il est important que l'énergie (lumière ou électricité) fournie initialement se retrouve très rapidement dans les boîtes. On observe donc pendant un très court temps comment l'énergie se propage, grâce aux électrons, dans les boîtes. Pour cela, on envoie une impulsion lumineuse ultracourte sur l'échantillon. Après, on observe clairement l'absorption de l'énergie d'abord dans le matériau qui contient les boîtes, puis dans la fine couche sur laquelle reposent les boîtes, et finalement, dans les boîtes elles-mêmes. Cette propagation « en cascade » est très rapide et entraîne un temps de réaction très court pour l'émission de la lumière.

Grâce aux propriétés 0D des boîtes quantiques (faible nombre d'états distincts), les lasers peuvent ainsi devenir plus précis et plus puissants, et les détecteurs, quant à eux, sont plus sensibles à la lumière. Ces matériaux sont déjà utilisés pour fabriquer des lasers très performants. Ils intéressent non seulement les compagnies de télécommunications, mais aussi la NASA qui cherche à envoyer dans l'espace des détecteurs toujours plus petits et plus performants.

De grands espoirs sont donc liés aux boîtes quantiques. Avec l'avènement de la nanotechnologie, de nouvelles fonctions pourraient se développer dans des domaines aussi variés que l'informatique (ordinateur quantique extrêmement puissant et rapide), la télédétection et l'aérospatiale (détecteurs très sensibles), la médecine (chirurgie au laser très précise, imagerie médicale très détaillée)… D'autres applications que nous n'imaginons même pas encore pourraient aussi voir le jour. Le monde quantique n'a pas fini de nous étonner.