Trapping the light fantastic

Une illustration d’un cercle de lumière blanche étincelant encadré par les contours bleus d’un carré. Des faisceaux de lumière s’étendent dans toutes les directions, représentés par de grands traits rouges à l’aspect texturé.

Capturer la sublime lumière

En répondant à la question fondamentale sur la capture et la maîtrise de la lumière, Sajeev John de la University of Toronto a ouvert la porte à un nombre infini d’applications commerciales, de la médecine aux télécommunications.
17 août 2015

Il y a trente ans, bon nombre de scientifiques affirmaient que Sajeev John de la University of Toronto caressait un rêve irréalisable ‒ qu’il se posait des questions sans réponses. Cela n’a toutefois pas dissuadé le jeune physicien de se lancer à la poursuite de l’une des créatures les plus insaisissables qui soient : le photon.

Particule élémentaire de la lumière, le photon n’a ni masse ni charge électrique. Dans une chambre à vide, il se déplace à près de 300 000 kilomètres à la seconde. Le hic, c’est que la matière impure absorbe les photons comme une éponge.

« On peut utiliser des miroirs pour capturer les photons pendant une courte période, mais ceux-ci finissent par s’échapper ou se faire absorber. Il faut donc utiliser un matériel qui n’absorbe pas la lumière. Et voilà tout le défi», explique M. John.

À la recherche d’un moyen d’emprisonner la lumière, il a senti qu’il devait justifier le fondement de ses recherches. Sa réflexion s’est amorcée sur un principe typiquement scientifique selon lequel toute question fondamentale mérite une réponse, ne serait-ce que dans son propre intérêt.

« Il arrive parfois que des questions scientifiques qui semblent simples suscitent des réponses extraordinaires lorsqu’elles sont approfondies », avance le chercheur.

Les entrepreneurs ont rapidement pris note de la réussite de ce projet. Le piège à lumière du chercheur ‒ communément appelé cristaux photoniques ‒ offre une toute nouvelle façon de maîtriser la lumière et de nombreuses applications, qu’il s’agisse de puces informatiques qui fonctionnent à la lumière laser, de biocapteurs médicaux, de panneaux solaires plus efficients et moins coûteux ou de fibres optiques de la prochaine génération.

« Au plus fort de la bulle des télécommunications entourant cette découverte, j’ai reçu de nombreux appels de la part d’investisseurs en capital de risque, mais j’ai choisi de ne pas accepter leur offre financière à ce moment-là. Aujourd’hui, il y a assurément d’importantes sociétés et de grands laboratoires qui cherchent à concevoir des applications », explique-t-il.

Destinés à être utilisés dans des laboratoires sur puce et qui peuvent remplacer les longs processus de diagnostics, les biocapteurs médicaux sont une de ces applications qui capte l’attention du chercheur.

« On utilise une mince puce à cristal photonique dotée de canaux dans lesquels un échantillon de sang peut circuler, explique le chercheur. On place ensuite certains anticorps le long des surfaces internes du cristal qui, à l’image d’une souricière, sélectionne chimiquement les marqueurs biologiques associés à certaines maladies. Lorsque la "proie" s’accroche à la surface, les caractéristiques optiques de la puce se modifient. En faisant passer un faisceau laser à travers cette puce, on crée une "signature spectrale" de la maladie. »

Des diagnostics instantanés

Quelle est la principale difficulté de cette technologie? Même après plus d’une décennie de recherche, le coût de fabrication des pièges à lumière demeure élevé.

Un cristal photonique est composé de grappes d’atomes délicatement sculptées qui ressemblent à des diamants et qui n’absorbent pas la lumière. Or, comme la longueur des ondes de la lumière est grande comparée à celle des atomes individuels, les scientifiques doivent créer des réseaux à partir de milliards d’atomes, en reproduisant un modèle précis ajusté à la longueur d’onde des photons qu’ils tentent de capturer et de retenir. Chaque fois qu’un photon essaie de se déplacer dans une direction ou une autre, il rebondit instantanément sur lui-même. Ainsi, le photon bouge sans cesse, mais sans jamais aller nulle part.

« Les sociétés et les laboratoires de recherche qui profitent d’un généreux financement peuvent y arriver, n’empêche que le coût demeure exorbitant et qu’il faut avoir accès à un équipement spécialisé pour fabriquer des cristaux de grande qualité », affirme M. John.

Depuis que le chercheur a commencé à étudier les cristaux photoniques dans les années 1980, c’est lentement mais sûrement que cette technologie fait son chemin vers d’éventuelles applications commerciales. Entre temps, le monde universitaire s’est fermement rangé derrière la petite question de M. John qui a permis d’atteindre des résultats extraordinaires.

Cette histoire a été publiée à l’origine dans le numéro d’automne 2014 de la revue EDGE, le magazine de recherche de la University of Toronto.