Arjen Dijksman fait briller des atomes artificiels

Voir l’animation en ligne

Dans les premières années du XX^e siècle, la physique a connu l’une de ses plus grandes révolutions. Sous l’impulsion d’un groupe de savants européens visionnaires, une nouvelle théorie a vu le jour : la mécanique quantique. Elle permet de décrire le monde à l’échelle microscopique, et nous lui devons aujourd’hui la plupart de nos connaissances sur l’atome. Elle a également prédit un certain nombre de phénomènes que l’on a tendance à juger contre-intuitifs ! Celui qui nous intéresse a trait au comportement d’un électron lorsqu’on le met en situation de confinement.

La matière est constituée d’atomes. Les atomes sont eux-mêmes composés d’un noyau massif, et d’électrons en mouvement autour de ce noyau. Comme leur nom l’indique, les électrons sont responsables de la propagation de l’électricité : c’est le déplacement d’électrons, d’atome en atome, que l’on appelle courant électrique.

Les recherches d’Arjen mettent en pratique les résultats de la mécanique quantique en utilisant des matériaux que l’on appelle semi-conducteurs. Par opposition aux isolants, dans lesquels le courant électrique ne peut pas circuler, et aux conducteurs, où il peut se propager sans difficulté, les semi-conducteurs sont des matériaux dans lesquels le courant ne peut circuler que si on lui apporte un peu d’énergie supplémentaire.

Un morceau de silicium ultrapur : le silicium est un élément chimique qui, une fois traité, est un excellent semi-conducteur. Pour cette raison, il est massivement utilisé dans la réalisation de circuits informatiques, de panneaux photovoltaïques...

Dans son laboratoire, Arjen synthétise des cristaux portant le nom de quantum dots . En français, il arrive qu’on les appelle « atomes artificiels », car leur diamètre est de l’ordre de quelques nanomètres, soit la taille de quelques dizaines d’atomes. Ils sont réalisés en séléniure de cadmium, un matériau semi-conducteur, et présentent ainsi des propriétés étonnantes. Notamment, les électrons y sont confinés – on dit que l’on confine une particule si on l’enferme dans un volume de petite taille, de sorte qu’elle ne puisse plus se déplacer en dehors de cet espace.

Or un électron confiné peut absorber de la lumière s’il reçoit de l’énergie, ou émettre de la lumière s’il cède de l’énergie. À l’œil nu, on ne peut évidemment pas voir un quantum dot. Ainsi, on préfère remplir un flacon avec de très nombreux quantum dots qui flottent dans un liquide, le solvant. Quand on place ces flacons sur une lampe à rayons ultraviolets – comme on le voit sur la vidéo – on constate qu’ils se mettent à briller de toutes les couleurs ! En effet, les électrons présents dans ces cristaux cèdent une partie de l’énergie qu’ils ont reçue de la lampe en émettant de la lumière. Chaque flacon brille d’une couleur différente – on dit qu’il fluoresce – car les quantum dots qu’il contient sont de tailles différentes.

Cependant, si on les laisse tels quels, ces cristaux ont une fâcheuse tendance à clignoter, voire à s’éteindre en vieillissant. Pour éviter ces phénomènes indésirables, Arjen leur rajoute des coques en sulfure de cadmium. Les quantum dots produisant alors une lumière stable et bien colorée, il peut ensuite caractériser leurs propriétés à l’aide d’instruments d’optique : divers microscopes et toute une gamme de spectromètres.

Un ensemble de quantum dots vu au microscope optique, et le détail de l’un d’entre eux observé au microscope électronique à transmission de l’ESPCI - photo prise par Patrick Bassoul

La fabrication des quantum dots est une opération très délicate. Un infime changement de forme ou de taille peut modifier complètement leurs propriétés. Mais ils pourraient se révéler très utiles : par exemple en médecine, des quantum dots non toxiques peuvent être localisés dans le corps humain grâce à la lumière qu’ils émettent. Ils feraient alors office de traceurs biologiques, et permettraient par exemple de visualiser le développement d’une tumeur dans un organe. Ils pourraient également servir à créer de la lumière dans un laser, produire de l’électricité via des panneaux solaires originaux, fabriquer des circuits optiques pour des ordinateurs futuristes... Et le simple fait de les étudier aide à mieux comprendre d’autres phénomènes.

Une solution de quantum dots observée au microscope optique : l’aspect « granuleux » de la photo est dû aux quantum dots individuels, et les points plus brillants correspondent à des amas de quantum dots.

Mais comment Arjen en est-il venu à faire briller des atomes artificiels ?

Son intérêt pour la science a commencé dès le collège, grâce à la lecture de revues de vulgarisation, et à un certain émerveillement devant les phénomènes de l’astronomie. Après des études d’ingénieur physicien, Arjen est finalement devenu informaticien. Mais il a continué de se passionner pour la physique fondamentale, notamment par le biais de ses lectures. Au fil des années, il a d’ailleurs constitué une impressionnante collection de citations de scientifiques, qu’il publie quotidiennement sur Twitter. Et c’est finalement marié et père de famille qu’il est revenu vers sa passion et s’est lancé dans la recherche, avec une thèse sur les nanocristaux et les semi-conducteurs.

Enthousiaste de la physique, Arjen trouve intéressant d’expliquer la science via la communication sur Internet, dont il apprécie l’immédiateté, la spontanéité. Pour ce faire, il utilise donc son compte Twitter, mais également son blog et sa chaîne Youtube. Il considère que, si la physique classique est assez bien abordée au collège et au lycée, la physique quantique y est en revanche négligée. Selon lui, des objets comme les quantum dots ne sont pas assez connus du grand public, alors qu’avec un peu de créativité, on pourrait s’en servir pour expliquer les bases de la physique comme on explique les bases des mathématiques.

En dehors de la science, Arjen aime découvrir d’autres cultures, ce qu’il fait au cours de ses voyages en discutant avec des gens de différentes origines, et en apprenant les rudiments de leur langue. Il a également suivi une formation d’archéologie, et a fait trois stages de fouilles. Et comme c’est difficile de rester concentré sans se dépenser physiquement de temps en temps, il est aussi un grand amateur de vélo et de natation.

Arjen expliquant la structure d’un quantum dot sur un tableau blanc... déjà un peu encombré !

Article rédigé par Guillaume DUREY et Alexis WEINREB,
élèves-ingénieurs de l’ESPCI ParisTech