une sélection de laboratoire en photonique

Cellules solaires, fibres optiques et détection du cancer

Les cellules solaires de demain à portée de main
Source renouvelable par excellence, la lumière du soleil fait par exemple l’objet d’études
continuelles dans le domaine de la production d’énergie. En STI, divers groupes de recherches tentent de trouver la meilleure façon de collecter cette lumière, afin de la convertir en courant électrique.

Certains résultats sont déjà probants. Le Laboratoire de photovoltaïque et couches minces électroniques de Christophe Ballif a pu fabriquer des cellules solaires «hybrides» avec un
rendement de 21,4%, le tout en déposant de fines couches de silicium amorphe sur du silicium cristallin.

Autre concept qui s’est révélé extrêmement efficace: l’utilisation de minuscules filaments appelés nanofils. Posés à la verticale, ils agissent à la façon d’un entonnoir et sont capables d’absorber de grandes quantités de lumière. Dans son Laboratoire des matériaux semi-conducteurs Anna Fontcuberta i Morral a développé des nanofils faits d’Arséniure de gallium pouvant absorber douze fois plus de lumière qu’une cellule photovoltaïque traditionnelle.

Et pourquoi ne pas utiliser la lumière du soleil également pour provoquer des réactions chimiques ? Cette possibilité, Sophia Haussener l’étudie dans son Laboratoire de la science et de l’ingénierie de l’énergie renouvelable (LRESE). A l’aide de simulations multi-échelles, elle compare les différents moyens de produire du carburant à partir d’eau et de soleil, en faisant varier le design des réacteurs électrochimiques et thermochimiques.

Des fibres optiques pour guider l’information…
Sous sa forme «laser», la lumière prend une toute autre fonction. Dans le domaine des télécommunications, elle est utilisée pour faire transiter des données dans des fibres optiques. Ces minuscules canaux transparents, insensibles aux perturbations électromagnétiques, transportent de l’information sur des distances très longues et avec très peu de pertes. Mais la technologie doit encore être améliorée.

Camille Brès, du Laboratoire de systèmes photoniques, participe à cette course à la perfection. Elle étudie la façon d’utiliser et d’optimiser les effets non- linéaires dans les fibres optiques. Et pourquoi pas en les fabriquant à base de nouveaux matériaux non-linéaires, adaptés à diverses longueurs d’onde? Ces matériaux ont la particularité de faire changer la fréquence de l’onde électromagnétique-ou lumière- qui les traverse, pour autant que l’intensité de cette onde soit suffisante, et la dispersion du guide d’onde adéquate. Cette propriété permet de traiter l’onde, la copier ou la multiplier simplement en jouant avec la lumière que l’on envoie dans une fibre. Une méthode simple et inespérée pour améliorer la transmission de données.

…ou pour servir de « nerf artificiel »

Parfaite pour les télécommunications, la fibre optique est aussi un « nerf artificiel » capable de repérer les déformations et changements de température en tous points sur toute sa longueur. Avec son Groupe Fibre Optique GFO, Luc Thévenaz travaille ainsi à l’insertion de fibres dans des ponts, le long de conduites ou de toute autre construction. Un procédé qui permet entre autres de détecter les changements susceptibles de fragiliser la structure. A titre d’exemple, le nouveau réacteur à fusion nucléaire ITER devrait intégrer un système nerveux à fibre optique, afin de repérer les fuites d’hélium ultra-froid.

En pratique, une onde lumineuse est envoyée à chaque extrémité de la fibre, et en fonction de la tonalité des vibrations sonores induites par la collision de ces ondes, il est possible de repérer tout changement de l’environnement, et d’anticiper toutes sortes d’accidents. Le même principe a d’ailleurs été utilisé pour accélérer, ralentir et même stopper un signal lumineux pendant un bref instant, permettant de créer des ébauches de mémoire optique.

Repérer les biomarqueurs de certains cancers
En médecine, les apports de la photoniques sont également inestimables. Ce champs d’étude a donné naissance à la chirurgie et au traitement au laser, bien sûr, mais peut aussi servir en matière de diagnostic et pour la détection. Eduardo Charbon, du Groupe Quantum Architecture Group AQUA, a par exemple développé en collaboration avec le CHUV une sonde munie d’un détecteur à photon unique, qui permet de repérer les restes de cellules cancéreuses lors de l’ablation d’une tumeur.

De son côté, Olivier Martin, du Laboratoire de nanophotonique et métrologie, travaille sur des méthodes de nanophotonique. Dans le cadre du projet SPEDOC, il utilise la lumière pour effectuer de la détection de molécules. Le but : repérer dans une goutte de sang certaines protéines connues pour être des biomarqueurs de plusieurs sortes de cancer. Le sang est d’abord inséré dans les canaux d’une puce microfluidique. A l’intérieur des canaux, des nanostructures en métal ont été conçues pour retenir ces protéines. Il suffit ensuite d’illuminer la puce et de repérer à l’aide d’un spectromètre les changements de longueur d’onde dans la lumière réfractée – phénomène de résonance des plasmons de surface, afin de déduire le nombre de biomarqueurs présents.

 

Imagerie biomédicale et construction de nouveaux dispositifs


Que se passe-t-il à l’échelle des molécules et des cellules?

Ainsi, la lumière permet d’observer l’inobservable. Forts de ce constat, plusieurs laboratoires rivalisent d’ingéniosité afin d’accéder à ce qui ne peut être vu, en particulier à très petite échelle.

Dans le Laboratoire de biologie à l’échelle nanométrique, l’équipe d’Aleksandra Radenovic a récemment présenté une méthode basée sur la microscopie à fluorescence (PALM), qui permet d’observer les nombreux échanges de substances et de nutriments qui ont lieu au niveau de la membrane des cellules. Le tout en repérant précisément le nombre de protéines présentes à cet endroit. Et comme cette membrane est une plateforme d’échange entre la cellule et son environnement, cela permet d’en savoir beaucoup plus sur la façon dont la cellule réagit à l’administration d’un médicament, ou à l’exposition à un polluant, par exemple. La technique utilisée fonctionne sur le « captage » de la lumière par certains corps à l’échelle nanométrique. Ici, il s’agit d’« allumer » les molécules à l’aide de flashs successifs. L’ensemble des clichés ainsi réalisés formera une image d’une très grande précision, qui permet de visualiser très précisément les protéines présentes à très petite échelle.

Evolution d’une cellule en 3D et en direct
Le monde de l’infiniment petit n’a pas non plus échappé au Groupe microvision et microdiagnostic de Christian Depeursinge. On lui doit notamment un dispositif pour observer des cellules vivantes en 3D et en temps réel, le tout sans devoir recourir à des produits de contrastes ou des fluorophores.

Le dispositif combine microscopie holographique et traitement informatique des images : Sous balayage angulaire d’un laser, des images extraites par holographie sont captées par une caméra numérique, assemblées par ordinateur et « déconvoluées », afin d’en éliminer le bruit. Au final, l’image de la cellule 3D peut être « découpée » virtuellement et fournir une vision précise de ses éléments internes, comme le noyau ou les organites.

L’eau : un mystère à résoudre grâce à des méthodes d’optique ?
En matière d’analyse, ce qui intéresse Sylvie Roke, ce sont les molécules d’eau. Car si l’on sait que ces molécules se composent d’une structure assez simple (un atome d’oxygène relié à deux atomes d’hydrogène (H2o), leur comportement est bien souvent extravagant, et il ne répond à aucune logique scientifique. Dans son Laboratoire de BioPhotonique fondamentale (LBP), la chercheuse utilise des techniques d’optique novatrices pour comprendre ce qui se passe à la surface de minuscules gouttes. Cette zone recèle en effet de précieuses informations.
Deux techniques combinées permettent d’aller très loin dans l’analyse des interfaces: l’optique non-linéaire et la diffusion de la lumière. L’optique non-linéaire sert à sélectionner l’interface de la goutte, et la diffusion à identifier la nature (taille, masse, etc.) des gouttes à examiner. La combinaison de ces deux techniques pourrait permettre de vérifier voire contredire plusieurs hypothèses de référence dans le monde scientifique, et de ce fait lever le voile sur certains mécanismes se produisant dans le corps humain, puisque nous sommes composé d’eau en majorité.

La circulation sanguine en direct sur un écran
Pour Théo Lasser, du Laboratoire d’optique biomédicale, il s’agit d’utiliser la lumière pour examiner en temps réel le flux sanguin dans les microvaisseaux proches de la surface de la peau. Une startup sortie de son laboratoire, Aïmago, en a récemment fait la démonstration.

Un écran muni d’une caméra permet de faire apparaître en temps réel une « carte topographique » de la vascularisation de n’importe quelle partie du corps. Ce qui permet entre autres d’évaluer la gravité d’une brûlure. L’outil repose sur la technologie du laser doppler. Grâce à l’effet doppler – décalage de fréquence d’une onde lumineuse entre l’émission et la réception-, un rayon laser peut mesurer la lumière reflétée par les globules rouges et les tissus statiques. L’effet doppler s’illustre par des variations de couleurs visibles sur l’interface, grâce à la caméra. Résultat : il suffit de passer une main sous la caméra pour voir s’afficher en direct sur l’écran un visuel coloré représentant l’état de la circulation sanguine.

Les lunettes du futur
La photonique, c’est aussi la possibilité d’inventer des dispositifs futuristes et ludiques. Et quel projet autre que les lunettes à réalité augmentée du laboratoire de dispositifs photoniques pourrait illustrer cela de meilleure manière ? Le groupe de Christophe Moser, du Laboratoire de dispositifs photoniques appliqués, a en en effet récemment présenté un prototype de lunettes du futur à haute définition. Des informations diverses, telles que l’heure et la date du jour, la météo, ou un itinéraire particulier peuvent être affichées sur les verres, grâce à un mini-projecteur placé sur l’une des branches et un film holographique laminé sur la lunette. Mais les difficultés restent nombreuses. Comment faire pour assimiler à la fois les informations projetées sur les verres et celles de notre environnement ? Pour l’instant, les chercheurs ont créé une lentille de contact spéciale, que l’utilisateur doit porter en sus des lunettes. Les recherches se poursuivent donc pour rendre le dispositif plus pratique.

L’aspect quantique de la lumière et l’optofluidique

Créer de nouveaux lasers moins gourmands en énergie
En matière de recherches plus fondamentales, l’aspect quantique de la lumière  passionne également les chercheurs. A cheval entre les Sciences de Base et la STI, Nicolas Grandjean, dans son Laboratoire en semiconducteurs avancés pour la photonique et l’électronique, étudie la génération de mini-lasers bleus très peu gourmands en énergie. Ces lasers sont générés à l’aide de polaritons, des particules quantiques surprenantes qui sont à la fois photons et matière, et qui sont créées à l’aide de semi-conducteurs et de miroirs. Ces mini-lasers à très petite consommation pourraient par exemple servir dans le domaine médical, où on cherche à produire des systèmes capables de générer des lasers à l’intérieur du corps humain, en vue de détecter des cellules malades, par exemple.

Opto-mécanique : transformer la lumière en oscillation mécanique
Et les effets quantiques de la lumières peuvent être exploités dans des domaines très divers. En matière d’opto-mécanique, notamment. Lui aussi rattaché aussi bien à la STI qu’aux Sciences de Base, Tobias Kippenberg et son équipe du Laboratoire de photonique et de mesures quantiques sont ainsi parvenus à transformer de la lumière en oscillation mécanique, puis à la reconvertir en lumière, le tout sur un objet visible à l’œil nu. Habituellement, les effets quantiques ne sont pas observables sur de grands objets, car ces derniers interagissent trop avec leur environnement et subissent un effet de décohérence quantique. En portant l’oscillateur à une température proche du zéro absolu, les chercheurs ont pu contrôler le mouvement d’un oscillateur à un niveau où les lois de la mécanique quantique entrent en jeu. C’est la première fois qu’il est possible de voir les étranges prédictions de ces lois sur des objets fabriqués par l’homme. Jusqu’à présent, ils n’avaient été mis en évidence que sur des atomes isolés ou des molécules.

Les domaines novateurs comme l’optofluidique
A noter que la STI abrite également des domaines extrêmement nouveaux, liés à la photonique. L’EPFL est par exemple leader mondial en matière d’optofluidique, une branche récente combinant l’optique et la microfluidique. Doyen de la STI et directeur du Laboratoire d’optique, Demetri Psaltis en est le pionnier.

Concrètement, il s’agit d’associer une source de lumière à des dispositifs microfluidiques, c’est-à-dire à des systèmes de canaux qui transportent de très petites quantités de liquide. Une technique qui permet de guider et de concentrer la lumière, à l’aide de fluides.

Récemment, un nouveau concept a été évoqué : celui d’appliquer cette technologie dans le domaine de l’énergie. Le professeur Psaltis propose par exemple de doter les canaux de catalyseurs de surface, afin d’en faire des micro-réacteurs capables de transformer l’eau et la lumière du soleil en hydrogène. En somme, il s’agirait de collecter la lumière du soleil et de la diriger sur les microcanaux, afin de provoquer une réaction chimique.

L’avantage par rapport aux gros réacteurs existant? La minuscule taille des canaux permet d’augmenter la surface à disposition pour que ces réactions aient lieu. Des réactions chimiques beaucoup plus nombreuses peuvent ainsi être réalisées dans un volume très petit. Le challenge réside toutefois dans la mise en commun d’un grand nombre de ces « microréacteurs », car le nombre de paramètres à gérer serait alors très important.

Le futur plein de promesses
La Faculté de Sciences et Techniques de l’Ingénieur est donc loin d’en avoir terminé avec la photonique. « Récemment, la STI a engagé plusieurs jeunes professeurs travaillant en rapport avec la photonique, note encore Olivier Martin. Les activités sont maintenant extrêmement diversifiées au sein de l’Ecole. »

Deux nouveaux professeurs en photonique
En mars, la faculté a accueilli Fabien Sorin en tant que nouveau professeur assistant tenure track. Son thème de recherche : le développement de fibres et de procédés permettant de créer des dispositifs optiques et optoélectroniques nanostructurés, qui peuvent se déployer à l’échelle macroscopique. Il a notamment travaillé sur des systèmes photovoltaïques, et a démontré que les dispositifs semi-conducteurs cristallins peuvent être réalisés en fibres, obtenues à partir d’un état amorphe, ce qui permet un contrôle dimensionnel et de hautes performances électroniques.

En juin, la STI accueillera par ailleurs la professeur Hatice Altug, qui travaille sur le développement de bio-senseurs ultra-sensibles, ou de dispositifs photoniques sur puce. En combinant nanofluidique et plasmonique, elle a notamment développé un système de capteurs portables permettant de repérer des virus vivants en moins de 30 minutes, des biomolécules et des composants chimiques.

Non mentionnées dans l’article, les recherches en matière de photoniques en Sciences de Base sont également très nombreuses et extrêmement riches.

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Parmi les autres laboratoires STI ayant une activité en photonique on compte notamment:

– le Laboratoire d’optique appliquée de Hans Peter Herzig
– le Laboratoire d’imagerie biomédicale de Michäel Unser
– le Laboratoire de systèmes microélectroniques de Yusuf Leblebic
– le Laboratoire d’électromagnétisme et acoustique de Juan Mosig
– le Laboratoire des matériaux photoniques et caractérisation de Gian-Luca Bona
– le Laboratoire des microsystèmes pour les technologies spatiales de Herbert Shea

Pour obtenir un aperçu de toutes les recherches en photonique, des informations sont à disposition sur le site de l’Ecole doctorale en photonique : http://phd.epfl.ch/edpo et sur la page http://photonics.epfl.ch/.

Quelques dates clés:
1947 : apparition du transistor et début de l’ère électronique
1960 : arrivée des premiers lasers. La photonique se développe fortement
1962 : création de la première diode électroluminescente ou LED visible
1968 : invention du premier Capteur photographique CCD, l’un des composants de base des appareils photo numériques
années 1970 : développement du concept de la fibre optique
années 2000 : création et développement de l’optofluidique