Le professeur Éric Collet, médaille d'argent du CNRS 2020

À l'Institut de physique de Rennes dont il est le directeur adjoint, Éric Collet, professeur de physique à l'Université de Rennes 1, étudie la transformation ultra-rapide de matériaux et de molécules par la lumière.

Éric Collet - Photo UR1/DirCom/JLB
  1. À l'échelle du millionième de milliardième de seconde
  2. La recherche
  3. À l'international
  4. Résultat récent
  5. Référence

À l'échelle du millionième de milliardième de seconde

Modifier la couleur d'un matériau, le rendre magnétique ou amagnétique, conducteur ou isolant, lui faire libérer de l'énergie au cours de sa transformation : autant de possibilités offertes par les effets photo-induits.

À l'Institut de physique de Rennes (IPR), Éric Collet, professeur à l'Université de Rennes 1 et son équipe ont constitué une expertise de tout premier plan, à l'échelle mondiale, dans la compréhension et le contrôle de ces processus. Ils sont notamment parvenus à développer des dispositifs expérimentaux capables d'observer ces processus ultrarapides.

En effet, sous l'action de la lumière, une molécule se déforme en quelques femtosecondes seulement (millionièmes de milliardièmes de seconde). Il faut donc capturer des images de cette transformation à une cadence comparable pour l'analyser. En combinant plusieurs techniques (lasers pulsés femtoseconde en lumière visible et en rayons X, cristallographie) mobilisant pour certaines de très grands instruments scientifiques (SLAC National Accelerator Laboratory à Stanford, X-FEL en Allemagne, ESRF-EBS à Grenoble), ces observations sont devenues possibles.

Cette expertise quasi unique au monde vaut à Eric Collet, professeur de physique à l'Université de Rennes 1 et directeur adjoint de l'IPR, de recevoir en 2020 la médaille d'argent du CNRS. Cette récompense distingue des chercheurs et des chercheuses pour l’originalité, la qualité et l’importance de leurs travaux, reconnus sur le plan national et international.

L'étude des effets photos-induits à l'IPR a commencé en 2001, nous étions alors trois collègues à nous intéresser à la thématique. Nous sommes maintenant 18 à pouvoir l'explorer avec nos doctorants, grâce à l'appui soutenu des co-tutelles du laboratoire. Nos compétiteurs sont des laboratoires de tout premier plan au MIT, à Stanford ou à l'université de Tokyo.

Si les travaux menés à l'IPR visent la compréhension des phénomènes élémentaires, selon les canons de la recherche fondamentale, elles viennent aussi nourrir la recherche d'autres laboratoires portant sur des matériaux capables, par exemple, de stocker de l'information à l'échelle de l'atome et s'affranchissant des lenteurs de la conversion d'état magnétique.

Suivant cet exemple, les applications à l'informatique permettraient la fabrication d'ordinateurs dotés de puces mémoires incomparablement plus vastes et plus rapides qu'aujourd'hui. En exploitant les fonctionnalités d'autres matériaux, on peut envisager des applications à l'industrie automobile (préchauffage des moteurs pour réduire la pollution) ou à la médecine (libération de principes actifs au cœur des tumeurs par des molécules photo-activables).

La recherche

Lorsque de la lumière arrive sur certains matériaux, elle en excite les électrons et ses molécules se déforment, ce qui peut entraîner des changements de fonctionnalité du matériau. Ces modifications de structure peuvent se stabiliser sur une durée variable.

Éric Collet observe deux phénomènes liés : les changements de niveau d'énergie des électrons, et les mouvements des atomes entraînant une déformation de la structure moléculaire. Le physicien a pu même observer des effets d'avalanche, où un photon peut entraîner la transformation successive de plusieurs molécules du matériau.

Avec de la lumière visible, nous pouvons réaliser l'illumination du matériau, mais aussi mesurer les états antérieurs et postérieurs à cette illumination. Les lasers capables d'émettre des impulsions de l'ordre de la femtoseconde en lumière visible sont des appareillages scientifiques relativement courants. Nous en avons à l'IPR qui nous permettent d'effectuer les premières mesures et analyses. En revanche, pour caractériser la déformation des molécules, il faut recourir à des sources laser X femtosecondes. Celles-ci forment le cœur de très grands instruments : il faut accélérer des électrons à la vitesse de la lumière sur des distances de plusieurs kilomètres pour parvenir à émettre ces flashs X ultracourts. Autant dire que la mise à disposition de telles sources est très coûteuse et limitée. Au SLAC de Stanford par exemple, le coût d'une journée d'expérience (hors frais de mission) s'élève à 250 000 euros, et seule une vingtaine de propositions sont acceptées chaque année au terme d'un appel particulièrement compétitif : une demande sur vingt est approuvée.

C'est là qu'intervient le premier degré d'instrumentation et d'analyse de l'IPR, explique Eric Collet.

Notre savoir-faire nous permet de monter des dossiers solides, ce qui nous est déterminant ensuite pour obtenir du temps d'expérimentation et de beaux résultats sur ces équipements très convoités. Nous analysons la manière dont leurs flashs en lumière X sont diffractés par les atomes du matériau étudié, ce qui nous permet de remonter à sa structure : nous utilisons la cristallographie, tout comme Rosalind Franklin l'a fait pour la molécule d'ADN. Pour comprendre, on peut faire une comparaison avec une boule à facettes en discothèque : nous regardons les myriades d'éclats lumineux engendrés par la diffraction des rayons X, et nous reconstituons la position de la boule (l'atome) à un instant donné. On peut même filer la métaphore, car c'est la succession de ces flashs de lumière X qui va décomposer les mouvements des atomes de la molécule, tout comme un stroboscope décompose les mouvements des danseurs sur la piste.

À l'international

Ces travaux sont donc menés en étroite collaboration avec des équipes françaises (à l'IMN) et internationales, aux États-Unis, en Allemagne, en Irlande, Angleterre, Espagne. Avec le Japon, les relations sont si étroites qu'elles ont donné lieu à la création d'un IRP avec l'Université de Tokyo, dont Éric Collet est le directeur pour la partie française.

L'équipe de mon homologue japonais développe les matériaux que nous analysons ici, à l'IPR. Ces collaborations donnent lieu, hors crise sanitaire, à de nombreuses mobilités d'étudiants, de doctorants et d'enseignants-chercheurs.

Résultat récent

Dernièrement, nous avons pu effectuer une belle démonstration qui vient de paraître dans Nature Chemistry. Nous avons travaillé sur des dérivés métalliques du bleu de Prusse. Quand ces matériaux absorbent la lumière, le système peut devenir magnétique.. Toute la question était de savoir si c'était le transfert des électrons d'un niveau d'énergie à l'autre qui entraînait la déformation de la molécule et engendrait l'état magnétique. Nous avons pu montrer, en observant le phénomène à l'échelle d'une cinquantaine de femtosecondes, qu'au contraire la transformation de la molécule intervenait avant le transfert des électrons.

Les travaux d'Eric Collet et de ses collègues constituent des recherches fondamentales à fort potentiel applicatif. Aussi, dès ce stade très amont, les aspects environnementaux sont déjà pris en compte : les scientifiques explorent la piste de l'illumination du matériau par des sources lumineuses infrarouges ou térahertz, de moindre énergie.

Référence

Charge transfer driven by ultrafast spin transition in a CoFe Prussian blue analogue
Marco Cammarata, Serhane Zerdane, Lodovico Balducci, Giovanni Azzolina, Sandra Mazerat, Cecile Exertier, Matilde Trabuco, Matteo Levantino, Roberto Alonso-Mori, James M. Glownia, Sanghoon Song, Laure Catala, Talal Mallah, Samir F. Matar & Eric Collet
Nat. Chem. (Dec 7, 2020). DOI:10.1038/s41557-020-00597-8