Jacqueline Bloch : Lumière ! La physique en action

Portraits de chercheurs Article publié le 24 avril 2020 , mis à jour le 22 septembre 2020

C’est avec beaucoup de fierté que Jacqueline Bloch, chercheuse au Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N - Université Paris-Saclay, CNRS), vient de faire son entrée à l’Académie des sciences. Cette physicienne, qui enseigne également à l’École polytechnique et à l’Institut d’Optique Graduate School, développe des stratégies expérimentales innovantes pour mieux appréhender des concepts fondamentaux de la physique. Elle est spécialisée dans l’utilisation des polaritons, des petites particules de lumière qu’elle manipule dans des échantillons en semi-conducteurs, pour simuler des systèmes physiques variés et étudier leurs propriétés.

Le Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N - Université Paris-Saclay, CNRS) est un laboratoire unique, « un environnement fantastique pour développer des nouvelles structures à l’état de l’art, se réjouit la chercheuse Jacqueline Bloch. Son imposante salle blanche et tous ses équipements permettent notamment de réaliser des échantillons de semi-conducteurs ou d’autres matériaux à l’échelle nanométrique. Il existe un lien très étroit entre les techniciens, les ingénieurs et les chercheurs - ceux qui fabriquent les échantillons au sein du laboratoire et ceux qui les utilisent pour leurs expériences. »

Utiliser les polaritons

« Un polariton est une excitation, qui passe la moitié de son temps sous la forme d’un photon et l’autre sous celle d’un état excité du matériau. Ceci lui confère des propriétés mixtes. Ce sont des photons "habillés" d’une excitation électronique », explique la chercheuse. Les photons sont piégés entre deux miroirs d’une cavité. Au milieu, un matériau absorbe la lumière et fait passer un électron du semi-conducteur dans un état excité. L’électron retourne dans son état initial en émettant un photon, à nouveau réabsorbé et ainsi de suite. « Les polaritons interagissent entre eux, ce qui permet de les utiliser pour simuler des systèmes physiques constitués de particules en interaction. »

Des créations inattendues

Bien que la motivation première demeure la physique fondamentale, Jacqueline Bloch crée incidemment des dispositifs originaux aux qualités potentiellement applicatives. Avec son équipe, elle choisit le dessin des cavités, sculptées à l’échelle du micron, et de leur assemblage en réseaux pour y piéger la lumière et simuler la matière condensée. Celui en nid d’abeille simule par exemple la physique du graphène, et un anneau de six cavités couplées simule celle du benzène. Avec cette dernière structure, la chercheuse et son équipe ont inventé un laser dont la lumière émise se propage en tournant sur elle-même, comme un tire-bouchon de lumière. Ce petit laser orbital trouve des applications intéressantes dans le stockage d’informations ou la micro-manipulation.

Simuler le quantique

L’esthétique des expériences menées n’est pas en reste. « Nous rendons visibles les concepts physiques que nous créons, ce qui est très didactique pour les étudiants. » Les chercheurs, de différentes disciplines, utilisent ces dispositifs comme une plateforme pour étudier d’autres systèmes physiques, un trou noir par exemple. « La simulation quantique est en plein développement, explique la chercheuse. L’idée est de simuler des systèmes complexes : au lieu de faire des calculs qui s’avèrent de plus en plus compliqués à effectuer, l’expérience est réalisée dans un système plus gros et plus facile à contrôler, et qui obéit aux mêmes propriétés. »

À l’Académie des sciences

La renommée de ces travaux vient « de la grande variété des problèmes physiques que nous étudions grâce aux savoir-faire uniques développés ici, dans le laboratoire », affirme Jacqueline Bloch. Parmi toutes ses distinctions  - Prix Jean Ricard de la SFP 2015, Médaille d’Argent du CNRS 2017, Prix Ampère 2019 -, son entrée à l’Académie des sciences fin 2019 est celle qui touche la chercheuse le plus profondément, car elle l’inscrit dans « une grande tradition ». Le travail en équipe et la formation de jeunes scientifiques sont toutefois encore plus importants pour elle. « Ici, chacun a la possibilité de publier un ou deux articles de très haut niveau. Parfois, lorsque mes étudiants soutiennent leur thèse, les membres du jury constatent que chacun des chapitres pourrait faire l’objet d’une thèse à part entière. »

Bien qu’il s’agisse de recherche fondamentale, ses étudiants trouvent souvent des postes dans l’industrie. « Les industriels cherchent des profils capables de résoudre rapidement un problème compliqué. Ce sont pourtant les mêmes compétences qui permettent aux jeunes d’avoir des idées originales et de faire de la belle physique », constate Jacqueline Bloch. De ce point de vue, l’Université Paris-Saclay représente pour elle « un vivier d’étudiants extraordinaires », qu’elle compte bien faire fructifier…

 

Très tôt passionnée par les sciences, Jacqueline Bloch sort diplômée en 1992 de l’EPSCI (L’École supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris). Elle effectue ensuite un master 2 de physique des solides (ENS, Paris 6 et Paris 11) et soutient sa thèse de doctorat en 1994 dans le laboratoire qui deviendra celui de photonique et de nanostructures (LPN). Deux semaines après sa soutenance, elle entre au CNRS et poursuit ses recherches dans ce laboratoire. En 1998-99, elle est détachée au Bell Labs aux USA pour y effectuer un post-doctorat et se perfectionner dans les semi-conducteurs. À la fin de l’année 1999, elle met en évidence le laser à polaritons. À partir de 2010, en collaboration avec Alberto Amo, elle développe ses recherches sur les réseaux de cavité qui simulent la matière condensée.