Compte rendu

Le Nobel de physique aux dompteurs de lumière

L'étroite imbrication entre recherche fondamentale et recherche appliquée. C'est ce qu'a couronné l'Académie royale des sciences de Suède, mardi 6 octobre, en décernant le Nobel de physique 2009 à trois "maîtres de la lumière" : Charles Kuen Kao, pour une moitié du prix, Willard Sterling Boyle et George Elwood Smith, pour l'autre. Tous trois ont surtout permis des avancées technologiques, le premier dans le domaine des fibres optiques, les deux autres dans celui de l'imagerie numérique. S'appuyant sur des travaux antérieurs de physique pure, leurs innovations ont favorisé de nouveaux développements scientifiques.

De nationalité britannique et américaine, le premier lauréat du Nobel 2009 de physique - qui recevra la moitié des 10 millions de couronnes suédoises (975 000 euros) attribuées par l'Académie suédoise - est né à Shanghaï en 1933.

Titulaire d'un doctorat d'ingénierie électrique, obtenu en 1965 à l'Imperial College de Londres, il a dirigé les Engineering of Standard Telecommunication Laboratories de Harlow (Essex), où il a mis en évidence l'importance de la pureté du verre des fibres optiques pour la conservation du signal lumineux sur de longues distances. Il a également été vice-chancelier de l'Université chinoise de Hongkong, avant de prendre sa retraite en 1996.

De nationalité américaine, le co-lauréat, avec Willard Sterling Boyle, de la moitié du prix Nobel 2009 de physique, est né en 1930 à White Plains (Etat de New York). Titulaire d'un diplôme de sciences de l'université de Pennsylvanie et d'un doctorat de physique de l'université de Chicago, obtenu en 1959, il a ensuite travaillé, jusqu'en 1986, année de sa retraite, aux Laboratoires Bell de Murray Hill (New Jersey). Il y a mis au point, avec son collègue, le capteur charge-coupled device (CCD) qui a permis l'essor de l'imagerie numérique. Celui-ci leur a déjà valu plusieurs récompenses, du Franklin Institute, de l'Institute of Electrical and Electronics Engineers et de l'Académie nationale d'ingénierie des Etats-Unis.

De nationalités canadienne et américaine, le physicien, qui recevra un quart du montant du Nobel, est né à Amherst (Canada) en 1924. Il a obtenu son doctorat de physique en 1950 à l'université McGill. En 1953, il rejoint les Bell Labs (New Jersey) où il met au point avec Don Nelson le premier laser à rubis capable de fonctionner de façon continue, en 1962. La même année, il est nommé directeur des études spatiales aux Bell Labs. Il concourt à la sélection de sites d'alunissage pour les missions Apollo. En 1964, il revient à la physique et se consacre à l'étude des semi-conducteurs. En 1969, il met au point avec George Smith le capteur CCD. Après avoir dirigé la recherche des Bell Labs, il a pris sa retraite en 1979.

Internet, les télécommunications, l'échange de textes, de photos ou de musique - bref, la "société de l'information" -, reposent sur un réseau mondial de fibres optiques qui, mises bout à bout, se déploieraient sur plus d'un milliard de kilomètres. De quoi faire 25 000 fois le tour du globe. Cette toile de verre, où l'information circule sous forme de pulsations de lumière (le 0 ou le 1 du langage informatique), doit beaucoup à l'ingéniosité de Charles Kao.

Employé, dans les années 1960, aux Standard Telecommunication Laboratories de Harlow (Royaume-Uni), il s'est attaché à améliorer les performances des fibres de verre. Celles-ci étaient déjà connues. Mais la déperdition du signal était énorme, en raison de l'absorption et de la diffusion de la lumière : au bout de 20 mètres, il ne conservait que 1 % de sa puissance.

Le chercheur a d'abord montré, en 1966, que le facteur clé était la pureté, c'est-à-dire la transparence du verre des fibres. Puis il a proposé d'utiliser, comme matières premières, du quartz et de la silice très purs, chauffés à environ 2 000 °C. "Kao a ouvert une porte qui a donné un essor décisif aux télécommunications, mais aussi à la science optique", salue Marc Douay, qui travaille sur les nouvelles générations de fibres optiques au CNRS.

En 1971, des chercheurs américains fabriquaient une fibre optique ultrapure de 1 km. Et, en 1988, le premier câble optique transatlantique reliait les Etats-Unis et l'Europe. Aujourd'hui, les réseaux optiques conservent 95 % du message lumineux codé sur une distance de 1 km, et une même fibre peut acheminer plusieurs dizaines de milliards de bits (des 0 ou des 1) par seconde.

Cette prouesse aurait été impossible sans l'invention, au début des années 1960, du laser, source de lumière stable et très focalisée. Puis sans les innovations techniques ultérieures qui ont permis de convertir, relayer et amplifier les signaux. Un bel exemple de métissage entre physique fondamentale et ingénierie.

Les travaux de Willard Boyle et George Smith en sont un autre. Le tandem a en effet exploité l'explication donnée par Einstein, dès 1905 - ce qui lui valut le Nobel de physique en 1921 - de l'effet photoélectrique. Autrement dit de l'émission d'électrons par un matériau excité par des photons (ou grains) de lumière.

Le duo a en fait inventé... quelque chose qu'il ne cherchait pas. C'est en s'efforçant d'améliorer des mémoires électroniques, aux Bell Laboratories, qu'il a mis au point, en 1969, le capteur CCD (Charge-Coupled-Device), popularisé depuis par les appareils photo et les caméras numériques. Cet oeil de silicium, frappé par la lumière, transforme l'image optique en signal électrique, qui est ensuite converti en succession de 0 et de 1, puis traité pour obtenir une image numérique faite de points, ou pixels. Les amoureux de la photographie argentique l'ignoraient alors, mais ses heures étaient comptées. En 1970, Boyle et Smith intégraient un capteur CCD à une caméra vidéo. Dix ans plus tard, les appareils photo numériques déferlaient sur le marché.

Au même moment apparaissait la technologie concurrente des capteurs CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Mais l'iris numérique de l'équipe nobelisée demeure d'une sensibilité inégalée, qui fait aujourd'hui les beaux jours de l'imagerie astronomique - on lui doit les fabuleuses ouvertures sur le cosmos du télescope spatial Hubble - et de l'imagerie médicale et chirurgicale.

Pierre Le Hir

Le prix Nobel 2009 récompense l'Américano-Britannique Charles Kao pour "une avancée dans le domaine de la transmission de la lumière dans les fibres pour la communication optique" ainsi que l'Américano-Canadien Willard Boyle et l'Américain George Smith pour "l'invention d'un circuit semi-conducteur d'images, le capteur CCD"
AP/KATSUMI KASAHARA
Le prix Nobel 2009 récompense l'Américano-Britannique Charles Kao pour "une avancée dans le domaine de la transmission de la lumière dans les fibres pour la communication optique" ainsi que l'Américano-Canadien Willard Boyle et l'Américain George Smith pour "l'invention d'un circuit semi-conducteur d'images, le capteur CCD"

Charles K. Kao, co-lauréat du Prix Nobel de physique 2009, dans les années soixante au Royaume-Uni.
REUTERS/HO
Charles K. Kao, co-lauréat du Prix Nobel de physique 2009, dans les années soixante au Royaume-Uni.

Willard Boyle (à gauche) et George Smith dans leur laboratoire du New Jersey en 1970. Les deux chercheurs ont reçu avec Charles K. Kao le Prix Nobel de physique, mardi 6 octobre.
AP
Willard Boyle (à gauche) et George Smith dans leur laboratoire du New Jersey en 1970. Les deux chercheurs ont reçu avec Charles K. Kao le Prix Nobel de physique, mardi 6 octobre.