La science avec la lumière - Recherches à l'Institut Paul Scherrer - Paul Scherrer Institut (PSI)
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La science avec la lumière
Recherches à l’Institut Paul Scherrer
Début d’une expérience à la Source de Lumière Suisse SLS.
Table des matières
4 La science avec la lumière 18 Industrie et innovation
en 90 secondes 18 Investir dans l’innovation
18 Résoudre des problèmes de l’industrie
18 Elaborer de nouvelles technologies
6 Les structures de la vie 19 Entreprises spin-off
6 Des signaux de réparation
7 La cécité nocturne
20 A l’intérieur de la Source
7 Un prix Nobel
de Lumière Suisse SLS
8 L’homme et la santé
22 Matière et lumière
8 Science du cerveau
22 Les atomes sont partout
8 Des dents impeccables
23 La lumière est partout
23 Expériences avec la lumière
10 Science des matériaux
et ingénierie 24 La lumière extraordinaire de
10 Fibres de carbone
la Source de Lumière Suisse SLS
10 Sécurité incendies
25 Des électrons ultrarapides
11 Des puces de silicium inégalées
25 Electrons et lumière
25 De plus en plus brillants
12 Manipuler le magnétisme
12 Stocker des données sur un seul atome
26 SwissFEL, le laser à rayons X
13 Inverser des aimants avec la lumière
13 Des hexagones magnétiques à électrons libres suisse du PSI
26 Qu’est-ce qu’un laser à rayons X
à électrons libres?
14 Matériaux quantiques
26 Aux frontières de la science
14 Observer les orbitons
26 Une collaboration à l’échelle mondiale
15 Les secrets des supraconducteurs
27 La technologie diamant
16 Energie et environnement 28 C’est grâce à nous
16 Du gaz naturel issu du bois
17 De meilleures batteries
17 Peinture pour bateaux 31 Le PSI en bref
31 Impressum
31 Contacts
Photo de couverture
A la Source de Lumière Suisse SLS, des
chercheurs sondent les matériaux avec des
faisceaux extrêmement brillants de rayons X
et de lumière ultraviolette pour étudier des
structures un million de fois plus petites
qu’un grain de sable. Ils peuvent discerner
comment les atomes et les molécules
sont connectés et observer en temps réel
comment ces connexions évoluent.
3
La science avec la lumière en 90 secondes
La Source de Lumière Suisse SLS de plus de 2500 scientifiques y viennent de
l’Institut Paul Scherrer PSI est un «su- Suisse et du monde entier, pour faire des
permicroscope» capable de révéler des expériences sur ses grandes installations
détails un million fois plus petits qu’un de recherche scientifique de classe mon-
grain de sable. diale.
La SLS produit des faisceaux ultrafins de L’institut héberge également deux autres
rayons X et de lumière ultraviolette d’une grandes installations de recherche: la
extrême brillance. Utilisés pour com- Source de Neutrons de Spallation Suisse
prendre comment l’aspect extérieur SINQ et la Source de Muons Suisse SμS.
d’objets et leur comportement sont liés
à ce qui se trouve à l’intérieur, ces fais-
ceaux peuvent révéler comment les Innovation et découverte
atomes et les molécules qui les com-
posent sont connectés et ce qu’ils font. Les expériences conduites à la Source de
Lumière Suisse SLS sont essentielles
pour l’avancement de la science et la
En médecine, les rayons X sont utilisés résolution de problèmes de l’industrie.
depuis plus d’un siècle pour voir l’inté- Elles aident à trouver des réponses aux
rieur du corps. Les médecins et les den- problèmes qui se posent aujourd’hui
tistes s’en servent couramment pour dans les domaines de la médicine, de la
repérer les fractures, prendre des images fourniture d’énergie, de l’environnement
de tumeurs et vérifier l’état de la denti- et des matériaux pour les nouvelles tech-
tion. nologies.
Mais pour conduire des recherches à la Les impulsions laser ultrabrèves de
pointe des sciences et des techniques, rayons X du SwissFEL permettront
un appareil de radiologie médicale n’est d’effectuer des expériences d’un type
pas assez puissant. Il faut une machine entièrement nouveau – en biologie, en
beaucoup plus avancée. Telle est la rai- chimie, en physique et en science des
son de la construction de la Source de matériaux. Exploités en synergie, la SLS
Lumière Suisse SLS. et le SwissFEL garantiront à la science et
Les faisceaux de rayons X produits par la à l’ingénierie suisses de rester à la pointe
SLS sont un milliard de fois plus brillants de l’innovation et de la découverte pen-
que ceux d’un appareil de radiologie dant de longues années.
médicale. Dotés d’autres qualités Pour en savoir plus sur les recherches
uniques, ils rendent possibles des mil- conduites au PSI avec ses faisceaux ul-
liers de mesures très précises et très trabrillants de rayons X et de lumière
détaillées en quelques secondes seule- ultraviolette, veuillez lire les pages qui
ment. suivent.
En 2016, une nouvelle source de rayons X
a été mise en service à l’Institut Paul
Scherrer PSI: le SwissFEL, un laser à
rayons X à électrons libres, complémen-
taire de la SLS, grâce auquel l’étude de
processus extrêmement rapides devien-
dra de la routine.
Le PSI est le plus grand institut de re-
cherche suisse en sciences naturelles et
sciences de l’ingénierie. Chaque année,
4
Le confort et les commodités de la
vie moderne auraient été impossibles
sans de longues décennies de
recherche sur les nouveaux matériaux.
5
Les structures de la vie La médecine moderne a découvert que la vie repose sur une incroyable variété d’ac- tivités moléculaires – fabriquant des cel- lules, détruisant des infections, réparant des dommages. Cependant, malgré d’énormes progrès, il y a encore beaucoup à apprendre pour combattre la maladie. Des signaux de réparation Des études par rayons X, conduites à la Source de Lumière Suisse SLS, rendent possibles des médicaments conçus pour réparer les vaisseaux sanguins défaillants ou pour limiter la croissance de tumeurs. Une coupure au doigt endommage les vaisseaux sanguins et réduit l’alimenta- tion en oxygène des tissus avoisinants. Les cellules entourant la coupure appellent alors à l’aide en libérant une molécule de signalisation appelée facteur de croissance, qui diffuse dans le tissu depuis la coupure. Quand d’autres cel- lules reçoivent ce signal, elles se mettent à fabriquer de nouvelles cellules ainsi que des vaisseaux pour réparer le dommage. Il existe de nombreux types de facteur de croissance, chacun d’eux très spécialisé dans la croissance de cellules d’un genre particulier – par exemple, de la peau, des nerfs, des vaisseaux sanguins ou bien encore des vaisseaux lymphatiques. Pour activer une cellule cible et déclen- cher la fabrication de nouvelles cellules, chaque facteur de croissance moléculaire doit être aligné sur un récepteur molécu- laire spécifique présent à la surface de la cellule cible. Ceci requiert un positionne- ment et une orientation corrects des de pointe disponibles à la Source de Grâce à ces nouvelles connaissances, on structures moléculaires du facteur de Lumière Suisse SLS. peut élaborer une nouvelle génération de croissance et du récepteur, ceux-ci étant Des expériences récentes ont permis de médicaments permettant de limiter la constitués de milliers d’atomes. déterminer la structure exacte d’un fac- croissance de tumeurs dans le corps, en La cartographie et l’analyse de ces struc- teur de croissance et d’un récepteur res- bloquant l’activité de facteurs de crois- tures moléculaires sont incroyablement ponsables de la croissance et de la répa- sance spécifiques impliqués dans la fa- complexes. Elles ne peuvent être réali- ration de vaisseaux sanguins et de brication de vaisseaux afin de supprimer sées qu’avec les instruments à rayons X vaisseaux lymphatiques. l’irrigation sanguine. 6
La cécité nocturne l’évolution de la pathologie liée, la réti-
nite pigmentaire, vers une grave perte de
La vision nocturne repose sur une molé- vision diurne.
cule photosensible présente dans la ré-
tine, appelée rhodopsine. Des recherches
conduites à l’Institut Paul Scherrer PSI Un prix Nobel
visent à comprendre comment des dé-
fauts génétiques affectent la rhodopsine Venkatraman Ramakrishnan, du Labora-
et sont ainsi la cause de pathologies toire MRC de Biologie Moléculaire de
telles que la cécité nocturne congéni- Cambridge, Royaume-Uni, est l’un des
tale. récipiendaires du prix Nobel de chimie
de 2009. Cette distinction a récompensé
La rhodopsine est une molécule pro- ses travaux sur la détermination de la
téique extrêmement sensible à la lumière, structure du ribosome, une des plus
utilisée dans la vision nocturne. Elle ap- grandes et des plus importantes molé-
partient à une grande famille de protéines cules de la cellule. Certaines des données
appelées récepteurs couplés aux proté- utilisées à cette fin ont été collectées par
ines G. les instruments à rayons X de pointe
La fonction de ces molécules, présentes disponibles à la Source de Lumière
dans la paroi membraneuse de la cellule, Suisse SLS.
est de détecter les modifications qui se
produisent à l’extérieur de celle-ci et de Les ribosomes sont des structures com-
transférer le signal vers l’intérieur. Quand plexes présentes en de multiples exem-
la lumière frappe la rhodopsine, sa forme plaires dans chaque cellule. Ils traduisent
change, ce qui déclenche une cascade l’information génétique en des dizaines
de signaux qui parviennent au cerveau. de milliers de protéines différentes qui
Grâce à la Source de Lumière Suisse SLS, commandent l’activité des organismes
des chercheurs du PSI ont été capables vivants.
de prendre des images de la rhodopsine Pour résoudre leur structure, il a fallu
dans son état photoactivé celui-ci possé- déterminer la position de chacun des
dant une durée de vie extrêmement brève. centaines de milliers d’atomes qui les
Ils disposent ainsi d’une image précise constituent. C’est une des cartes de ré-
de la première étape du processus de la solution structurale les plus complexes
Structure d’un ribosome, une des
vision. jamais établies.
plus importantes molécules de l’orga-
Ces expériences ont permis de montrer Ces expériences ont été cruciales pour
nisme. Le biophysicien Venkatraman
que la cécité nocturne est directement comprendre comment les ribosomes
Ramakrishnan et son groupe de
liée à un défaut structurel de la rhodop- fonctionnent, ainsi que la différence entre
recherche ont déterminé la position
sine, ayant pour effet qu’elle se trouve les ribosomes bactériens et les ribo-
de plusieurs centaines de milliers
activée en permanence, même lorsqu’elle somes humains.
d’atomes de cette gigantesque molé-
cule. Les expériences conduites à
ne reçoit pas de lumière. Le système vi- A noter aussi, une application pratique.
cette fin ont été effectuées entre autres suel est désensibilisé, car il s’efforce Beaucoup d’antibiotiques modernes
à la Source de Lumière Suisse SLS. d’ignorer la sensation de perception agissent en bloquant l’activité de ribo-
Ces travaux ont valu à Ramakrishnan – d’une faible lumière constante. somes bactériens sans affecter les ribo-
corécipiendaire avec deux autres Comprendre la cause moléculaire d’une somes humains. Ainsi, des infections
chercheurs – le prix Nobel de chimie affection ouvre la voie à des médecines sont soignées en tuant ou en inhibant
de 2009. ciblées de façon plus précise. Même si des bactéries de façon sélective.
cette démarche ne permet pas de soigner
la cécité nocturne, elle peut empêcher
7
L’homme et la santé
De nouvelles techniques d’imagerie mises mais certaines personnes perdent la ca- L’émail dentaire est la substance la plus
au point à la Source de Lumière Suisse pacité d’écrire, de parler ou de marcher. dure du corps humain. Nos dents sont
SLS révèlent des détails extraordinaires Une nouvelle technique d’imagerie tridi- protégées par une couche extérieure
et aident les scientifiques à comprendre mensionnelle mise en œuvre à la Source d’émail très résistante recouvrant une
des pathologies très diverses. de Lumière Suisse SLS permet d’étudier couche de dentine un peu moins dure.
le rôle de la myéline dans des cerveaux de A la différence d’autres tissus durs du
rat à l’échelle moléculaire. Les images corps tels que l’os, l’émail ne peut pas se
Science du cerveau tridimensionnelles sont prises de façon réparer de lui-même après un dommage.
non invasive, sans inciser le cerveau – un Nos dents ont besoin de l’aide d’un den-
Des dommages à la myéline, la gaine avantage considérable par rapport aux tiste pour se refaire une santé.
protectrice des fibres du système nerveux, méthodes d’observation classiques. Les dentistes utilisent quotidiennement
peuvent conduire à des pathologies telles Pour créer l’image tridimensionnelle, le les rayons X pour déceler les problèmes
que la sclérose en plaques. Une nouvelle cerveau du rat est lentement tourné. Des dentaires cachés, mais cette technique
méthode d’imagerie mise au point à la images par rayons X sont prises à de petits permet seulement d’observer des détails
Source de Lumière Suisse SLS permet de intervalles. Les 800 000 images obtenues d’une taille supérieure à un centième de
prendre des images de la gaine de myéline sont combinées par un logiciel spéciale- millimètre.
de neurones du tissu cérébral animal avec ment conçu, destiné à donner une vue Une étude de dents saines et de dents
des détails extrêmement fins. d’ensemble de la concentration et de cariées, utilisant les puissants rayons X de
l’épaisseur de la myéline dans les diffé- la Source de Lumière Suisse SLS, a permis
Le système nerveux comprend des millions rentes parties du cerveau. de relever des détails dix mille fois plus
de neurones (cellules nerveuses) haute- Les résultats montrent que la plus forte petits.
ment spécialisés dans le transport de concentration de myéline s’observe au Vue à une aussi petite échelle, la structure
messages d’une partie du corps vers une niveau du faisceau de fibres nerveuses qui moléculaire de l’émail et de la dentine est
autre. Chaque neurone est formé d’un connectent les hémisphères droit et d’une complexité extrême. Elle est pour-
corps et de fibres nerveuses dont la lon- gauche du cerveau. Cette nouvelle mé- tant responsable de la résistance et de
gueur peut varier de quelques millimètres thode d’imagerie rend possible l’étude de robustesse des dents.
à plus d’un mètre. Le nerf sciatique, la plus la façon dont la myéline se modifie selon Cette étude a permis de cartographier
longue fibre nerveuse du corps humain, le type d’affection. la disposition des fibres de collagène
connecte la base de la moelle épinière au très fines de la dentine et d’étudier la
gros orteil. zone de jonction émail-dentine. Il a été
La plupart des neurones ont une gaine de Des dents impeccables constaté que la structure fine de beau-
myéline, un bon isolant qui permet aux coup de dents différentes est extrême-
signaux électriques de se propager le long L’abus de sucreries et un brossage insuf- ment similaire et, ce qui est surprenant,
des fibres nerveuses à des vitesses attei- fisant peuvent entraîner la formation de qu’elle n’est pas affectée dans les dents
gnant 400 km/heure. Chez les personnes douloureuses cavités dentaires – néces- cariées.
atteintes de sclérose en plaque, la gaine sitant l’intervention du dentiste pour la Actuellement, les dentistes réparent les
de myéline est endommagée; les mes- pose de plombages. Des études par dents avec des matériaux qui ne tiennent
sages issus du cerveau sont mal transmis, rayons X de la structure moléculaire de pas compte de leur structure moléculaire.
voire pas du tout. Il se produit une sorte dents saines et de dents atteintes, sug- Les résultats de cette étude suggèrent que
de court-circuit, comme avec un fil élec- gèrent que de nouveaux types de produits des traitements plus durables pourraient
trique dont l’isolant est endommagé. On de remplissage pourraient être élaborés, être mis au point, en utilisant des produits
ignore la cause de la sclérose en plaques. beaucoup plus durables que les traite- de remplissage mieux adaptés à la struc-
Généralement, l’affection est bénigne, ments actuels. ture naturelle des dents.
8
Vue aux rayons X, la structure
moléculaire de l’émail et de
la dentine est d’une complexité
extrême. Elle est pourtant
responsable de la résistance
et de robustesse des dents.
9
Science des matériaux et ingénierie
La technologie peut faire de grandes avan- rayons X pour dresser des cartes tridimen- la jonction des couches de croissance
cées en termes de forme et de fonction, sionnelles très détaillées de la structure saisonnières.
en utilisant des nouveaux matériaux. internes de fibres de carbone produites à La recherche en ingénierie de sécurité
Ceux-ci peuvent être testés rapidement partir de la lignine et les comparer à des incendie des structures combine des don-
avec les faisceaux très brillants de fibres standard du commerce. nées provenant de différentes sources
rayons X et de lumière ultraviolette de la La structure interne de la fibre du com- pour parvenir à une meilleure compré-
Source de Lumière Suisse SLS. merce est très simple – un cœur dense hension du comportement des matériaux
enveloppé d’une couche extérieure moins et des structures aux températures
dense. La fibre produite à partir de la concernées. Les résultats peuvent servir
Fibres de carbone lignine a une structure en éponge avec des à concevoir les règles de sécurité et à
pores 1000 fois plus petits qu’un grain de les améliorer.
Très rigides, les fibres de carbone sont sable.
utilisées pour renforcer d’autres maté- Grâce à cette représentation unique des
riaux et les rendre plus robustes. Mais leur fibres de carbone, les ingénieurs ont une
fabrication est chère. Les ingénieurs meilleure compréhension des relations Les scientifiques du PSI sont
recherchent donc comment en réduire le entre leur structure et leurs performances. capables de créer sur des plaquettes
coût. de silicium réfléchissantes les plus
petits motifs réalisés dans le monde,
Les matériaux composites en fibres de Sécurité incendies qui seront nécessaires pour les
carbone sont très résistants et légers. Ils puces d’ordinateur futures. Cette
sont idéaux pour l’ingénierie à hautes Lors de l’incendie d’un immeuble, les technique de fabrication a été mise
performances en aéronautique, pour des poutres de charpente en bois se fendent au point à la Source de Lumière
mâts de voilier ou encore les membres sous l’effet de la chaleur intense dégagée, Suisse SLS.
artificiels. même lorsqu’elles sont loin des flammes.
Ces fibres de carbone sont le plus souvent L’imagerie par rayons X à haute vitesse
produites à partir d’un matériau précur- peut montrer comment la structure interne
seur riche en carbone, appelé polyacrylo- du bois affecte sa résistance mécanique.
nitrile. De longues fibres de ce précurseur
sont chauffées à très haute température Au printemps et au début de l’été, la crois-
dans une enceinte exempte d’oxygène afin sance des arbres est plus rapide, produi-
qu’elles ne brûlent pas. A l’issue de ce sant un anneau de croissance de bois clair.
processus, appelé carbonisation, on ob- A l’automne, un anneau plus foncé et plus
tient une fibre composée de longues dense se forme. Transversalement à ces
chaînes d’atomes de carbone, étroitement anneaux, des lignes de «cellules de rayon»
imbriquées, où il ne reste que quelques vont du centre de l’arbre jusqu’à l’écorce.
atomes qui ne sont pas du carbone. Elles servent à emmagasiner de l’eau.
La production des fibres de carbone est A la Source de Lumière Suisse SLS, le bois
chère, c’est pourquoi les ingénieurs peut être chauffé rapidement à une tem-
d’Honda R&D Europe (Deutschland) re- pérature de plusieurs centaines de degrés
cherchent de nouvelles façons de les fa- dans un four spécial à chauffage laser. En
briquer, en visant de meilleures perfor- même temps, la structure cellulaire et les
mances à un coût moindre. Ils explorent modèles de fissuration sont mesurés par
actuellement l’utilisation d’un nouveau microtomographie par rayons X.
matériau précurseur présent dans le bois: Dans le hêtre, un bois dur et durable lar-
la lignine. gement utilisé comme matériau de
Travaillant avec des scientifiques du PSI, construction en Europe, il a été constaté
les ingénieurs de Honda ont utilisé des par exemple que les fissures commencent
techniques avancées de tomographie à surtout le long des cellules de rayon et à
10Des puces de silicium inégalées peut être ouvert et fermé des millions de profond d’une longueur d’onde de
fois par seconde. Une puce de silicium 193 nanomètres. La prochaine étape sera
Le rayonnement ultraviolet extrême de moyenne contient plusieurs millions de l’ultraviolet extrême d’une longueur
la Source de Lumière Suisse SLS est transistors par millimètre carré. d’onde de 13,5 nanomètres.
utilisé par l’industrie des semiconduc- Pour fabriquer des puces de silicium, on A la Source de Lumière Suisse SLS, des
teurs pour mettre au point de nouvelles dépose à leur surface une couche de scientifiques du PSI ont réalisé les plus
techniques de fabrication. Le PSI détient masquage photosensible. Le tout est petites structures du monde – des
le record mondial du plus petit motif ensuite exposé à la lumière pour réaliser rangées de conducteurs espacés de
jamais réalisé sur une puce de silicium. des motifs dessinés selon la finesse des seulement 14 nanomètres. A titre de com-
détails des circuits. paraison, un cheveu a un diamètre de
La lithographie – la technologie d’impres- L’artiste peintre utilise un pinceau plus 50000 nanomètres et pousse à la vitesse
sion de microcircuits sur des puces de fin pour rendre les petits détails. En litho- de 5 nanomètres par seconde.
silicium – a rendu possible la messagerie graphie, les très petits détails sont des- En lithographie, le PSI a cinq à dix années
électronique, les téléphones mobiles, la sinés avec de la lumière de longueur d’avance sur les méthodes standard de
vidéo en continu, ainsi que des voitures, d’onde plus courte. l’industrie. Ses capacités sont largement
des trains et des avions plus sûrs. Les appareils commerciaux de lithogra- utilisées par des entreprises et des uni-
L’élément de base de tous les circuits phie sont passés de l’emploi d’une lu- versités, pour tester les méthodes de
réalisés sur des puces de silicium est le mière ultraviolette d’une longueur d’onde fabrication pour la production des pro-
transistor – un interrupteur précis, qui de 365 nanomètres à celle de l’ultraviolet chaines générations de puces de silicium.
11Manipuler le magnétisme
La capacité à manipuler les propriétés
magnétiques à très petite échelle est
centrale pour les technologies informa-
tiques modernes. Elle permet de stocker
musique, photos et vidéos, en enregis-
trant leurs informations à l’aide de motifs
aimantés, à l’échelle des atomes. La
technologie future exige la mise au point
de nouvelles façons de stocker l’informa-
tion et d’accéder rapidement à des mon-
tagnes de données, elles-mêmes en
croissance rapide.
Stocker des données sur un
seul atome
Des chercheurs d’universités suisses
travaillant avec IBM aux États-Unis, ont
créé en laboratoire des atomes uniques,
dans un état qui pourrait, à l’avenir,
servir à stocker des données sous la
forme d’aimants monoatomiques
stables.
Les mémoires aléatoires magnéto-résis-
tives (MRAM) mémorisent l’information
de façon permanente sans qu’il soit né-
cessaire de rafraichir constamment les
données. Les MRAM sont utilisées dans
les systèmes de pilotage des avions et
des satellites, car ils ne sont pas affectés
par le rayonnement cosmique.
Une réduction de la taille des composants
MRAM permet de stocker plus de don-
nées, mais la structure atomique de la
matière impose une limite inférieure ul-
time. L’atome est la plus petite structure
de stockage de données envisageable.
L’équipe suisso-américaine a montré, par
Les chercheurs du PSI sont à
des expériences au PSI, que des mono
l’avant-garde de l’étude de nouveaux
atomes de cobalt placés sur une surface
matériaux dont des propriétés
ultramince d’oxyde de magnésium
magnétiques peuvent être modifiées
peuvent être mis dans un état de haute
par une impulsion de lumière émise
énergie – première étape requise vers la
par un laser.
création d’un aimant stable à partir d’un
monoatome.
12Inverser des aimants avec la fie l’aimantation du matériau, avec une
lumière impulsion ultrabrève de rayons X qui la
suit immédiatement pour permettre de
Les propriétés magnétiques d’une nou- prendre un cliché des pôles magnétiques.
velle classe de matériaux peuvent être Inverser l’aimantation avec la lumière,
modifiées par des impulsions de lumière cela fonctionne. Mais que se passe-t-il
laser. Bien que la recherche sur ce type exactement? Cette question fait débat
de comportement inhabituel soit encore chez les scientifiques, qui explorent des
à un stade précoce, on prévoit déjà une pistes.
large utilisation de ces nouveaux compo-
sés en technologie.
Des hexagones magnétiques
Les chercheurs du PSI sont à la pointe
dans l’étude de nouveaux matériaux dont Des motifs géométriques précis de petits
l’aimantation peut être modifiée par des aimants, de formes et configurations
impulsions de lumière laser. Ce nouvel variées, peuvent être créés sur du sili-
axe de recherche offre la perspective de cium. Lorsque la taille de ces aimants est
nombreuses applications potentielles, inférieure à un micromètre, de nouveaux
notamment le stockage ultrarapide de phénomènes apparaissent. Ces struc-
données. tures pourraient à l’avenir être utilisées
Les ordinateurs archivent leurs données dans des dispositifs électroniques pour
sur des «disques durs», revêtus d’une des applications de mémorisation ou
couche magnétique. Une petite tête pour effectuer des opérations logiques.
d’écriture/lecture «vole» au-dessus du
disque en rotation rapide et y enregistre Un groupe de recherche du PSI a mis au
les données codées sous la forme de point une méthode permettant de créer
microscopiques aimants de polarité nord des motifs réguliers de petits aimants. Il
et sud. les étudie au moyen d’un microscope à
Sur un disque dur classique, le temps de rayons X construit à la Source de Lumière
basculement d’un pôle nord en un pôle Suisse SLS.
sud est généralement de quelques nano- Les petits aimants ont la forme de grains
secondes. Avec les nouveaux matériaux de riz. Lorsque six aimants sont disposés
et une impulsion laser, le basculement en hexagone, ils s’organisent de manière
peut être mille fois plus rapide et se faire à ce que les pôles nord et sud d’aimants
en environ une picoseconde (un millio- voisins se touchent, afin de former un
nième de millionième de seconde). anneau stable.
Certaines des expériences requises sont Le microscope à rayons X permet de suivre
extrêmement précises et exigeantes. Elles les modifications de l’arrangement des
ne peuvent être réalisées qu’avec une pôles nord et sud des petits aimants
nouvelle génération de grandes installa- lorsque plusieurs hexagones se réu-
tions d’expérimentation: les lasers à nissent. Lorsque le réseau d’hexagones
rayons X à électrons libres (XFEL). Depuis grandit, le choix de l’orientation des ai-
des années, les scientifiques du PSI se mants n’est plus évident: l’ensemble du
rendent aux États-Unis pour faire des ex- réseau doit se réarranger pour former une
périences sur l’installation LCLS et au Ja- nouvelle configuration stable.
pon sur l’installation SACLA. Bientôt, le Le groupe de recherche du PSI a élaboré
SwissFEL, le laser à rayons X à électrons des modèles mathématiques précis pour
libres suisse du PSI, ainsi que le XFEL expliquer ce qui est observé – un outil
européen de Hambourg leur permettront bien maîtrisé qui lui permet de tester ri-
de conduire aussi ces recherches en Eu- goureusement les situations observées
rope. dans des matériaux réels.
Ces expériences reposent sur la synchro-
nisation d’une impulsion laser qui modi-
13Matériaux quantiques
La recherche sur les matériaux quan- Observer les orbitons poussé et tiré par tous les autres électrons
tiques explore le comportement com- et noyaux du solide, qui peut lui-même
plexe et inattendu d’un grand nombre Prévu par la théorie il y a plus de 30 ans, être en mouvement. Ces interactions in-
d’électrons, qui se manifeste lorsqu’ils un bizarre mouvement synchronisé tenses et le nombre énorme d’électrons
interagissent dans un solide. La maîtrise d’électrons dans un solide a enfin été et de protons concernés, rendent la pré-
de ces effets étranges pourrait transfor- observé par des physiciens à la Source vision et la compréhension du comporte-
mer la prochaine génération de maté- de Lumière Suisse SLS. ment des solides très difficiles.
riaux électroniques. Afin de simplifier la description du com-
Le mouvement des électrons et des portement des solides, les physiciens ont
noyaux atomiques au sein de solides est recours à la notion de quasi-particule. Ce
extrêmement complexe. Chacun d’eux est ne sont pas des objets réels présents au
14quantiques, est que les états de mémoire praconducteurs les plus simples sont
Le comportement complexe des électrons sont normalement détruits avant que les bien compris, mais on en découvre de
dans les supraconducteurs peut être calculs n’aient pu être effectués. Les tran- plus en plus dont le comportement défie
étudié en détail grâce aux instruments sitions orbitoniques sont extrêmement toute explication. Les plus récents
à rayons X de pointe disponibles rapides; elles ne prennent que quelques peuvent fonctionner à des températures
à la Source de Lumière Suisse SLS. femtosecondes (une femtoseconde vaut plus élevées – environ 190 degrés en-
un millionième de milliardième de se- dessous de la température ambiante. On
conde). C’est tellement rapide que l’utili- les appelle supraconducteurs à haute
sation de spinons et d’orbitons pourrait température.
être une bonne solution pour manipuler Les éléments constitutifs les plus impor-
sein des solides, mais une façon conden- l’information dans un ordinateur quan- tants d’un supraconducteur à haute tem-
sée de décrire comment un grand nombre tique réaliste. pérature type sont des feuillets formés par
d’électrons et de protons se déplacent un maillage carré d’atomes de cuivre et
ensemble de façon coordonnée. d’oxygène. Les atomes de cuivre se com-
On peut alors se représenter les mouve- Les secrets des supra portent comme des petits aimants et
ments complexes de tous les électrons conducteurs semblent liés d’une façon ou d’une autre
d’un solide comme le mouvement beau- à la température élevée de supraconduc-
coup plus simple de quasi-particules, La supraconductivité est une des grandes tion. Ceci est surprenant, car la supracon-
dont le comportement est plus proche de découvertes scientifiques du 20e siècle. ductivité et les champs magnétiques sont
celui de particules isolées qui s’ignorent L’incroyable capacité des supraconduc- normalement considérés comme rivaux,
entre elles. teurs de laisser l’électricité s’écouler li- le champ magnétique étant capable de
L’électron ne peut pas être divisé en com- brement, sans résistance, à basse tem- détruire l’état supraconducteur.
posants plus petits – c’est une particule pérature, est de mieux en mieux maîtrisée. Une équipe de recherche étasunienne a
fondamentale. Mais dans les années Les scientifiques du PSI sont aux pre- maîtrisé l’art de réaliser des films supra-
1980, des physiciens ont prédit par la mières lignes de l’effort mondial pour conducteurs extrêmement minces, formés
théorie que les très nombreux électrons expliquer comment ces matériaux fonc- de seulement deux feuillets de cuivre-oxy-
se propageant le long d’une chaîne tionnent effectivement. gène.
d’atomes pourraient être décrits comme Au titre d’une collaboration unique en son
trois quasi-particules: le holon portant la La supraconductivité a été découverte en genre, cette équipe s’est rendue en Suisse
charge de l’électron, le spinon son aiman- 1911. Dans un fil supraconducteur, le cou- pour travailler avec des scientifiques de
tation et l’orbiton son énergie et son im- rant électrique s’écoule librement sans l’Institut Paul Scherrer PSI et y utiliser les
pulsion. l’échauffer. Il peut ainsi transporter un instruments à rayons X extrêmement sen-
Lors d’une expérience, qui rélève de l’ex- courant plus de 100 fois plus intense que sibles et avancés de la Source de Lumière
ploit technique, des physiciens du PSI ont celui passant par un câble de cuivre de Suisse SLS. Le PSI était le seul endroit au
été capables de mesurer des quasi-parti- même diamètre. monde où cette collaboration pouvait
cules orbiton et spinon dans un matériau. Les supraconducteurs doivent être obtenir les résultats nécessaires.
Un faisceau de rayons X est focalisé sur refroidis à basse température, à environ Les expériences ont montré que dans ces
un groupe d’électrons. L’énergie absorbée 290 degrés en-dessous de la température films ultraminces de matériau supra-
par le groupe d’électrons a permis la ambiante, en utilisant de l’azote ou de conducteur, le champ magnétique n’a pas
formation d’un spinon et d’un orbiton, se l’hélium liquide. disparu et qu’il peut être compris au
déplaçant à des vitesses différentes et Ils sont utilisés dans les scanners d’ima- moyen de descriptions très simples. Les
dans des directions différentes. gerie par résonance magnétique (IRM) expériences démontrent que le magné-
Les orbitons pourraient être utilisés dans médicale, dans les filtres de réception des tisme joue un rôle très important dans le
un ordinateur quantique qui effectuerait stations de base de téléphonie mobile, phénomène de supraconduction à tem-
des calculs beaucoup plus rapidement ainsi que dans certains réseaux de trans- pérature élevée.
que les ordinateurs actuels. port d’électricité pour transférer de Ce résultat est un pas en avant vers la
Un des principaux obstacles s’opposant grandes quantités d’énergie entre des réalisation du rêve ultime de supra-
aujourd’hui à la réalisation d’ordinateurs installations voisines. Les matériaux su- conducteurs à température ambiante.
15Energie et environnement
Faire le meilleur usage des ressources Du gaz naturel issu du bois En Suisse, le biogaz est obtenu en de
en combustible limitées de la Planète nombreux endroits par la fermentation
Terre est important pour la société. Au Le bois est une source d’énergie poly- de déchets ménagers, agricoles et issus
PSI, la science apporte sa contribution valente et renouvelable – exploitable d’installations d’épuration des eaux
à la réduction de l’impact de l’activité de façon durable dans les forêts usées. Mais le bois, lui, ne fermente pas
humaine sur l’environnement. suisses. Le PSI a élaboré une techno- facilement. Généralement on l’utilise
logie qui permet sa conversion efficace directement comme combustible.
en gaz naturel. L’Institut Paul Scherrer PSI a mis au
point une solution alternative pour trai-
ter le bois. Il est d’abord chauffé à haute
température et converti en gaz chauds,
Des chercheurs de l’Institut Paul
Scherrer PSI travaillent d’arrache-pied
pour obtenir les meilleures perfor-
mances de nouveaux matériaux à
mettre en œuvre dans des batteries
sodium-ion rechargeables. Avec les
rayons X de la Source de Lumière
Suisse SLS, ils peuvent voir à
l’intérieur de batteries prototype et
observer en temps réel à l’échelle
atomique ce qui se passe lors de la
charge et de la décharge.
16qui sont ensuite recombinés pour for- Des scientifiques du PSI ont utilisé les beaucoup de détails utiles sur la struc-
mer du gaz naturel synthétique. Ce gaz résultats d’expériences faites à la ture des différents matériaux utilisés
de bois peut être injecté dans le réseau Source de Lumière Suisse SLS pour dans les batteries. Plusieurs dizaines
gazier, d’où une plus grande souplesse élaborer un matériau utilisable pour de batteries prototype peuvent être tes-
quant à son lieu d’utilisation. éliminer le soufre du flux de gaz chauds. tées en même temps.
Les gaz chauds issus du bois sont un Ce nouveau matériau, fondé sur l’élé- L’objectif à long terme est de réaliser
mélange de monoxyde de carbone, de ment molybdène, a été mis au point en des batteries sodium-ion pouvant être
dioxyde de carbone, d’hydrogène et de utilisant des faisceaux de rayons X pour utilisées aussi facilement que les bat-
vapeur. Ils contiennent aussi des étudier en temps réel des réactions teries lithium-ion. Les chercheurs du
sous-produits indésirables, notamment chimiques et déterminer les adapta- PSI travaillent d’arrache-pied pour ob-
des composés contenant des goudrons tions requises pour obtenir de meil- tenir les meilleures performances de
et du soufre. leures performances. cette nouvelle technologie.
Les composés soufrés doivent être éli-
minés, car ils corrodent les gazoducs et
endommagent les matériaux des équi- De meilleures batteries Peinture pour bateaux
pements de conversion du mélange de
gaz chauds en méthane, principal com- Les batteries lithium-ion sont une Les bateaux et les structures marines
posant du gaz naturel. source courante d’énergie, utilisée par sont revêtus de peintures marines spé-
les ordinateurs portables, les tablettes ciales, les protégeant de la corrosion
et les téléphones mobiles. Des batte- par l’eau de mer. Des images tridimen-
ries d’un nouveau type, au sodium-ion, sionnelles par rayons X de la structure
ayant presque les mêmes perfor- microscopique de ces peintures
mances, pourraient être moins chères montrent comment cette bonne protec-
à fabriquer. tion est réalisée.
Un des grands défis auxquels la société Les navires de haute-mer sont peints
moderne est confrontée est le stockage avec un revêtement de résine époxy
de l’énergie. Les batteries lithium-ion mélangée avec des paillettes d’alumi-
sont largement utilisées dans les appa- nium ou de verre. Les paillettes se che-
reils électroniques – et de plus en plus vauchent, comme les tuiles d’un toit,
dans les voitures électriques et pour forçant l’eau à prendre un chemin plus
stocker les énergies provenant des éo- long avant d’atteindre l’acier en-des-
liennes et des panneaux solaires. sous.
En passant du lithium au sodium, on Un partenariat entre le Centre de nano-
pourrait réaliser un nouveau type de technologie de Londres, l’University
batterie rechargeable. Le sodium a des College London, le PSI et AkzoNobel,
propriétés chimiques similaires à celles travaille sur l’optimisation de la couche
du lithium, mais il est beaucoup plus de peinture des bateaux et des struc-
abondant et il est cinquante fois moins tures marines. Les images par rayons X
cher. montrent les formes et l’arrangement
Tout comme les batteries lithium-ion, des paillettes individuelles du revête-
les batteries sodium-ion doivent être ment, à l’échelle du nanomètre.
capables de fournir un potentiel Les essais de résistance à l’eau de mer
constant, tout en étant chimiquement du métal peint peuvent prendre des
et structurellement stables lors de la années. Des simulations informatiques
charge et de la décharge. utilisant les informations obtenues au
Au PSI, on étudie le potentiel futur des moyen des rayons X permettent de
batteries sodium-ion. Avec des rayons X, mieux prévoir les performances des
il est possible de voir à l’intérieur de nouvelles peintures, ce qui raccourcit
batteries prototype lors de la charge et le délai d’étude et de mise au point des
de la décharge, et d’y observer ce qui produits.
se passe à l’échelle atomique.
A la Source de Lumière Suisse SLS, on
est capable de faire très rapidement des
mesures par rayons X et d’obtenir ainsi
17Industrie et innovation
Le PSI encourage activement l’industrie Résoudre des problèmes de IBM recherche, avec plusieurs universités
à utiliser ses recherches. l’industrie suisses, à la Source de Lumière Suisse
SLS, comment miniaturiser les mémoires
Des usagers industriels visitent fréquem- magnétiques des ordinateurs au-delà des
Investir dans l’innovation ment la Source de Lumière Suisse SLS. limites actuelles.
Des entreprises unissent souvent leurs Intel et ASML travaillent avec des cher-
Un accès à des installations de pointe de connaissances et leurs compétences à cheurs du PSI sur l’évaluation de tech-
lumière synchrotron est essentiel pour celles d’équipes universitaires de re- niques avancées de lithographie utilisant
les entreprises du secteur des sciences cherche et de scientifiques spécialisés l’ultraviolet extrême, qui pourraient être
de la vie, pour être capables d’élaborer travaillant au PSI. utilisées pour fabriquer les puces en
de nouveaux médicaments permettant silicium de la prochaine génération.
de traiter des pathologies telles que Les exemples qui suivent ne sont que
la maladie d’Alzheimer, l’arthrite et le quelques-uns des nombreux cas d’utili-
cancer. sation par l’industrie des instruments de Elaborer de nouvelles
pointe de la Source de Lumière Suisse technologies
Les protéines sont des petites machines SLS – pour résoudre des problèmes im-
moléculaires, qui accomplissent toutes médiats, pour affiner des procédures à Une nouvelle méthode prometteuse de
les tâches nécessaires pour maintenir les utiliser ultérieurement lors de la mise au diagnostic des tumeurs du sein repose
cellules en vie. Leur activité peut être point et de la fabrication de produits ou sur une technique avancée d’imagerie
modifiée par des traitements et des mé- pour parvenir à une pleine compréhen- conçue à la Source de Lumière Suisse
dicaments – dans de nombreux cas ciblés sion de nouveaux matériaux. SLS. Cette méthode est à l’essai à l’hô-
sur une protéine très spécifique. La dé- Un partenariat entre le Centre de nano- pital cantonal de Baden, avec le parte-
termination de la structure atomique de technologie de Londres, l’University naire industriel Philips.
protéines et de médicaments, par des College London, le PSI et AkzoNobel tra-
mesures utilisant la lumière synchrotron, vaille sur l’optimisation des revêtements La mammographie est une technique
peut montrer comment ils interagissent de peinture des bateaux et des structures médicale utilisée pour diagnostiquer et
à l’échelle moléculaire et indiquer com- marines. localiser les tumeurs du sein. Le praticien
ment modifier ces médicaments pour Honda R&D Europe (Deutschland) tra- qui examine une image radiologique d’un
changer la façon dont ils opèrent. vaille sur l’amélioration des perfor- sein peut déterminer si une tumeur est
A la Source de Lumière Suisse SLS, deux mances et la réduction du coût de fabri- présente ou risque de se former.
postes d’expérimentation utilisés pour la cation de fibres de carbone prototype. Il est parfois très difficile de voir la diffé-
détermination de structures de protéines Les techniques classiques d’extraction rence entre le tissu sain et le tissu affecté.
et de médicaments sont financés par du pétrole, laissent inexploités entre Une technique pour laquelle le PSI a fait
l’industrie – l’un entièrement, par les 50 et 70 % des réserves de gisement. œuvre de pionnier en science des maté-
entreprises pharmaceutiques suisses Shell Global Solutions International B.V. riaux à la Source de Lumière Suisse SLS,
Novartis et Hoffmann La Roche et la So- travaille avec le PSI et l’université de peut permettre de prendre des images
ciété Max-Planck (Allemagne); l’autre Mayence (Allemagne) à la mise au radiologiques nettement meilleures des
partiellement, au titre d’un partenariat point de méthodes sûres pour extraire tissus mammaires.
entre l’Institut Paul Scherrer PSI, Novartis, le pétrole et le gaz piégés à l’intérieur Une image radiologique classique ex-
Actelion, Boehringer Ingelheim, Proteros des petits pores des roches sédimen- ploite la différence d’absorption des
et le japonais Mitsubishi Chemical. taires. rayons X lorsqu’ils traversent des types
La sensation en bouche est d’une impor- différents de tissu. La nouvelle technique
tance cruciale pour la fabrication des enregistre aussi les changements de di-
produits alimentaires commerciaux. La rection de ces rayons – une information
société alimentaire suisse Nestlé utilise supplémentaire qui améliore considéra-
la Source de Lumière Suisse SLS pour blement l’image radiologique, en offrant
comprendre comment la texture de la la perspective d’un diagnostic précoce
crème glacée change avec la température. des tumeurs du sein.
18La technologie mise en œuvre dans les détecteurs
de rayons X DECTRIS a été conçue au PSI. Elle a trans-
formé la recherche utilisant les sources de lumière
synchrotron ainsi que les méthodes de mesure des
rayons X à usage médical.
Entreprises spin-off produit phare, le détecteur Pilatus, a été nique, affichage et biotechnologie. Ses
élaborée au PSI par les fondateurs de produits sont utilisés à l’échelle indus-
Quatre entreprises dont l’activité repose cette entreprise. Elle lui a permis d’ac- trielle en recherche, développement et
sur l’utilisation de la lumière synchrotron quérir une brillante position sur le marché fabrication.
ont été créées à partir de technologies international. DECTRIS emploie mainte- Expose et Excelsus collectent et analysent
et de procédés mis au point au PSI. nant plus de 70 personnes. des données à la Source de Lumière
Les fondateurs d’Eulitha ont mis au point Suisse SLS, pour les entreprises pharma-
DECTRIS est le leader mondial de la de nouvelles techniques de lithographie ceutiques et de biotechnologie.
production de détecteurs hybrides de utilisant l’ultraviolet extrême produit à la
rayons X à comptage de photons. Ses Source de Lumière Suisse SLS. Eulitha
détecteurs ont transformé la recherche fournit, sous la marque PHABLE, des ser-
utilisant les sources de lumière synchro- vices et des équipements de création de
tron ainsi que les applications indus- motifs d’échelle nanométrique («nano-
trielles et médicales des rayons X. La patterning») pour des applications, no-
technologie mise en œuvre dans son tamment en photonique, optoélectro-
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