Raphaël Gherman: des nanocubes d’or comme objet de vulgarisation scientifique et œuvre d’art

Originaire de France, Raphaël a jeté les bases de sa carrière scientifique à l'INSA Lyon. Durant ses cinq années d'études, équivalentes à un baccalauréat et une maîtrise québécois, il s'est spécialisé en sciences et génie des matériaux. C'est lors de sa dernière année, avec un accent sur les nanosciences, les nanomatériaux et les semi-conducteurs, que son intérêt pour l'infiniment petit s'est véritablement cristallisé.

Raphaël est aujourd'hui doctorant en génie électrique et génie informatique à la Faculté de génie de l’Université de Sherbrooke, membre étudiant du LN2, et ses travaux de recherche bénéficient du soutien et des infrastructures du 3iT.Nano. Fort d'une vaste curiosité et d'une solide expertise technique, il a développé ses aptitudes pour la vulgarisation scientifique en parallèle de ses explorations artistiques à l'échelle nanométrique.

L'appel de Sherbrooke

Après un stage de fin d'études dans un laboratoire de son école à Lyon, Raphaël s'est lancé dans la recherche d'une thèse. « J'ai postulé un peu partout, y compris à Sherbrooke, sans vraiment imaginer que je pourrais venir au Canada », se souvient-il. Ayant également une offre de Centrale Lyon pour une thèse sur les matériaux 2D, son choix s'est finalement porté sur l'Université de Sherbrooke. Plusieurs facteurs ont motivé cette décision : l'envie d'une expérience internationale à long terme, après un séjour écourté en Russie par la pandémie, et l'attrait pour les équipements de pointe en nanotechnologies du 3iT, qui héberge le LN2.

Bien que le sujet était initialement décrit à haut niveau en raison d'une collaboration industrielle souhaitant préserver la confidentialité de ses objectifs, le sujet de thèse à Sherbrooke a piqué sa curiosité : « Je savais que c'était un domaine qui m'intéressait, de la science des matériaux, mélangée à de la nanofabrication, avec un aspect physique quantique. Je n'avais jamais étudié la physique quantique, et je me suis dit que c'était l'occasion », explique Raphaël. Il souligne également que la formation d'ingénieur en France, très axée sur la physique et les mathématiques, trouve un écho direct dans la recherche menée au 3iT et au LN2.

Au cœur de la plasmonique : dompter la lumière à l'échelle nanométrique

Actuellement en quatrième année de doctorat sous la direction des professeurs Paul Charette et Serge Ecoffey, Raphaël se consacre à l'étude des couches minces d'or, des cavités nanométriques et de leurs propriétés optiques. « Nous appelons ça des cavités, mais on peut résumer en disant que ce sont des pièges à lumière », vulgarise-t-il. Ces structures nanométriques permettent de confiner la lumière pendant des temps infimes (femtosecondes ou picosecondes), ouvrant la voie à l'exploitation de phénomènes de physique quantique inaccessibles à plus grande échelle.

Son travail consiste à concevoir, à simuler par éléments finis, à fabriquer en salle blanche et à caractériser ces cavités nanométriques. Si ses recherches visent principalement des démonstrations de physique fondamentale, les applications potentielles, comme des sources ou détecteurs de photons uniques, sont prometteuses.

Ce domaine, la nano-plasmonique, exploite la manière dont la lumière interagit avec les électrons à la surface de métaux comme l'or, l'argent ou l'aluminium à l'échelle nanométrique.

« Lorsqu'on envoie de la lumière à la bonne longueur d'onde sur un matériau plasmonique, les électrons à la surface du matériau oscillent en phase en s'échappant ponctuellement du matériau. C'est la contre-réaction du matériau, qui ne veut pas perdre ses électrons, sous forme de champ électromagnétique, qui créée l'effet plasmonique », explique-t-il.

Un écosystème collaboratif fertile

Le parcours de Raphaël au LN2 est marqué par un environnement de recherche éminemment collaboratif. Outre ses directeurs, il travaille étroitement avec Jean-François Bryche et Michael Canva, experts reconnus en plasmonique et biophotonique. Son projet s'inscrit également dans un partenariat avec la start-up Infinite Potential Laboratories, basée à Waterloo, une collaboration initiée par Dominique Drouin, Paul Charette et Serge Ecoffey.

« C'est cool d'être entouré d'autant de personnes avec autant d'expertises différentes au même endroit », apprécie Raphaël. « Paul a une expertise en photonique guidée et nanofabrication, Serge est très fort en nanofabrication, tandis que Jean-François et Michael apportent leur savoir en plasmonique. J'ai vraiment accès à différentes couches de l'oignon! », ajoute-t-il.

Raphaël perçoit positivement cette expérience de collaboration avec l'industrie : « La start-up avec laquelle nous travaillons est très axée sur la recherche fondamentale. J'ai l'impression que si j'ai envie de faire quelque chose, je le fais, et ils seront contents que je le fasse », souligne-t-il.

Art nano : orchestrer la lumière avec des nanocubes d'or

Lors de la Journée scientifique du 3iT.Nano en juin dernier, la présentation de Raphaël a reçu le premier prix pour la meilleure affiche scientifique étudiante. Celle-ci explore un aspect surprenant de la plasmonique: l'art de manipuler la lumière grâce à des interactions avec les électrons à la surface de nanostructures métalliques.

La présentation de Raphaël, intitulée Manipulating the color of light with gold nanocube array, se concentre sur la conception, la fabrication et la caractérisation de matrices de nanocubes d'or. L'objectif? Contrôler avec une précision nanométrique la manière dont ces structures interagissent avec la lumière pour produire des couleurs spécifiques. En modifiant finement la taille des nanocubes et l'espacement au sein de la matrice, Raphaël peut « accorder » la couleur de la lumière réfléchie. Ce phénomène repose sur l'excitation de plasmons de surface – des oscillations collectives d'électrons – qui dépendent fortement de la géométrie des nanostructures, ainsi que sur des effets de diffraction dus à la périodicité des matrices.

Une innovation clé de ses travaux réside dans le développement d'une méthode de polissage mécano-chimique (CMP) sans abrasif pour l'or. Cette technique, cruciale pour le procédé de fabrication dit « damascène », permet de planariser avec une extrême finesse les surfaces d'or nanostructurées, ouvrant la voie à la création de dispositifs optiques complexes et performants.

Concrètement, Raphaël a démontré la possibilité d'imprimer des images en couleurs directement sur des puces de silicium. Chaque « pixel » de l'image est en réalité un réseau ou mosaïque de nanocubes d'or dont la géométrie est spécifiquement conçue pour réfléchir une couleur donnée. Ces recherches, bien que visant des démonstrations de physique fondamentale, ouvrent des perspectives pour des applications futures telles que des capteurs optiques avancés, des dispositifs de sécurité ou de nouveaux types d'affichages. Ses travaux illustrent parfaitement comment la maîtrise de la nanofabrication et la compréhension des phénomènes quantiques à petite échelle peuvent mener à des innovations technologiques surprenantes.

Stimulé par les applications artistiques de ses découvertes scientifiques, Raphaël s'est joint au Club Art Nano du LN2, pour contribuer à créer des oeuvres surprenantes en collaboration avec l'artiste Étienne St-Amand et le professionnel de recherche Guillaume Beaudin, entre autres.

La science partagée : une passion pour la vulgarisation

L'engagement de Raphaël ne s'arrête pas aux portes du laboratoire. Animé par une passion pour l'enseignement et la transmission du savoir, il s'investit dans la vulgarisation scientifique. Il a d'ailleurs remporté un prix lors du concours de vulgarisation de l'UdeS en rédigeant une nouvelle de fiction basée sur un article scientifique dont il est le premier auteur. « J'aime mêler des choses qui n'existent pas pour expliquer des choses qui existent, pour mieux les comprendre », explique-t-il, citant Le Monde de M. Tompkins comme source d'inspiration.

Perspectives d'avenir

Alors qu'il prévoit de soutenir sa thèse d'ici la fin de l'année, Raphaël envisage de retourner en France pour y effectuer un post-doctorat, idéalement dans le même domaine de recherche qui le passionne. S'il reconnaît les avantages du système de recherche canadien, notamment en matière de financement — « La quatrième année, c'est la meilleure année, une avalanche de résultats! » — ses attaches familiales et amicales le rappellent vers l'Hexagone.

Son expérience à Sherbrooke et au Québec reste néanmoins extrêmement positive. « J'aime bien avoir la forêt à côté. Je fais pas mal de vélo de route, et c'est vraiment agréable de pouvoir, en 5 minutes, se retrouver dans les champs. La taille de la ville de Sherbrooke est bien, c'est souvent animé », conclut-il.