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Le prix Nobel de physique 2009 va aux maîtres de la lumière

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Le prix Nobel de physique 2009 met à l'honneur des technologies basées sur la lumière ayant bouleversé aussi bien l'astrophysique que notre vie de tous les jours. Ce sont en effet les créateurs des capteurs CCD et l'un des pionniers des fibres optiques qui ont été récompensés par l'académie de Stockholm.

Le capteur CCD du télescope Subaru, installé sur le sommet du Mauna Kea, à Hawaï. © Robert W. O'Connell

Que serait aujourd'hui notre vie sans les bouleversements apportés par Internet ? Où en seraient les découvertes et les images extraordinaires fournies par Hubble sans l'imagerie numérique ? Tous ces progrès reposent sur les travaux de Charles Kuen Kao, Willard Sterling Boyle et George Elwood Smith.

En effet, une part non négligeable des informations transitant dans la toile mondiale circule grâce à des fibres optiques. Or, c'est Charles Kuen Kao qui comprit, à la fin des années 1960, tout le potentiel des fibres optiques. Surtout, il démontra que le seul obstacle à surmonter pour transférer des informations sous forme d'impulsions lumineuses dans des fibres en verre de manière efficace, c'est-à-dire sans pertes importantes sur de longues distances, était l'obtention d'un matériau particulièrement pur.

Alors qu'à son époque quelques dizaines de mètres tout au plus suffisaient pour atténuer considérablement le signal lumineux, il montra que des distances de cent kilomètres pouvaient être atteintes sans problèmes. L'article qu'il publia en 1965, et surtout la démonstration expérimentale qu'il effectua à l'aide d'un laser en 1966 avec son collègue George A. Hockham de la compagnie britannique Standard Telephones and Cables (STC), stimulèrent les recherches. En 1970, trois autres chercheurs produisirent la première fibre optique utilisable pour les communications longues distances. Insensible aux perturbations électromagnétiques des orages, contrairement aux câbles en cuivre, la première fibre était aussi capable de transporter 65.000 fois plus d'informations. La silice presque pure battait ainsi le cuivre. Une vidéo montre comment les fibres sont aujourd'hui réalisées.

Charles Kuen Kao. Crédit : The Chinese University of Hong Kong-CUHK

De nos jours, la technologie lancée par les réflexions et l’intuition de Charles Kuen Kao est en train d’envahir le domaine des télécommunications, notamment à cause de la demande croissante en haut débit pour Internet. La médecine l'utilise aussi en endoscopie ou pour des opérations de chirurgie à l'aide d'un faisceau laser.

Agé de près 75 ans (il est né le 4 novembre 1933 à Shangai), Charles Kuen Kao est d'origine chinoise mais de nationalité britannique. Il réside à Hong Kong et ce n'est ni plus ni moins que la moitié du prix Nobel de physique 2009 qui vient de lui être attribuée.

La moitié du Nobel pour les capteurs CCD

Les autres maîtres de la lumière récompensés par l'académie de Stockholm sont Willard Sterling Boyle et George Elwood Smith. Le premier est un physicien canadien né en 1924 et le second un physicien américain né en 1930. Ils se partagent tous les deux le reste du prix Nobel de physique 2009 pour la réalisation des premiers capteurs CCD qui sont aujourd'hui omniprésents en photographie numérique. En 1969, ils travaillaient ensemble dans les mythiques laboratoires Bell, déjà à l'origine d'un prix Nobel de physique avec l'invention du transistor. C'est là que les deux hommes concrétisèrent les idées à l'origine de nos caméras vidéo et de nos appareils photos modernes.

George E.Smith Crédit : National Inventors Hall of Fame

Les capteurs CCD pour Charge-Coupled Device en anglais, ce qui peut se traduire par dispositif à transfert de charge, utilisent l'effet photoélectrique théorisé la première fois par Albert Einstein à l'aide de la théorie des quanta. Un photon, un grain de lumière, est susceptible de faire apparaître une charge électrique dans un dispositif à semi-conducteur convenablement conçu. Un capteur CCD ainsi fabriqué comporte un ensemble de lignes et de colonnes dont les cases stockent un nombre d'électrons proportionnel au nombre de photons reçus. Chaque case se comportant comme le pixel d'une image, il devient alors possible de convertir un signal lumineux en un signal électrique pour produire des images, par exemple en astronomie comme expliqué sur ce site de l'observatoire de Paris.

Willard Sterling Boyle. Crédit : science.ca

Les capteurs CCD de Boyle et Smith nous accompagnent souvent lorsque nous faisons des photos avec nos appareils numériques mais c'est surtout en astrophysique où les résultats ont été les plus spectaculaires. Les fameuses images de Hubble obtenues avec la Wide Field and Planetary Camera (WFPC) et surtout la Wide Field Camera (WFC) font usage des CCD. De fait, dès 1974, la Nasa avait lancé un programme pour étudier les applications possibles des travaux de Boyle et Smith en 1969.

Si l'on se souvient que l'esprit du prix Nobel est que cette récompense soit décernée chaque année à des personnes « ayant apporté le plus grand bénéfice à l'humanité », alors certainement aussi bien Charles Kuen Kao que Willard Sterling Boyle et George Elwood Smith le méritent.

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