Laurie Calvet : Des transistors aux nanotechnologies bio-inspirées
Chercheuse au Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N – Univ. Paris-Saclay, CNRS, Univ. de Paris), Laurie Calvet est spécialisée dans la physique des dispositifs. Son parcours éclectique et sa curiosité l’ont conduite vers des domaines d’application multiples, à l’interface entre la physique, la chimie et la biologie. Ses travaux portent essentiellement sur l’étude et la compréhension de nouveaux dispositifs et matériaux utilisés en nanotechnologies. Aujourd’hui, un de ses principaux axes de recherche au sein de l’équipe INTEGNANO (INTEGrative concepts for spin and charge based NANOdevices) est l'informatique bio-inspirée, c’est-à-dire la réalisation de circuits et systèmes inspirés de fonctions biologiques pour créer de nouvelles machines de calcul.
D’origine américaine, Laurie Calvet suit aux États-Unis une solide formation académique. Après une licence en physique appliquée à l’Université de Columbia, NY, elle poursuit son cursus à l’Université de Yale jusqu’à sa thèse en physique des dispositifs, sous la direction de Mark Reed. Le physicien – qui a été le premier à formuler la notion de quantum dot (ou boîte quantique) pour décrire un certain type de structure de semi-conducteurs – aime varier les sujets de recherche et a travaillé également sur l’électronique moléculaire, puis les biocapteurs. Laurie Calvet prend goût à cette interdisciplinarité et Mark Reed devient une grande source d’influence pour elle, tout au long de sa carrière.
Après avoir travaillé sur les transistors lors de sa thèse, de la physique fondamentale à la recherche d’applications, Laurie Calvet explore elle aussi différents sujets de recherche au cours de ses post-doctorats. En 2001, elle rejoint un laboratoire de chimie à Harvard pour travailler sur l’électronique moléculaire, puis travaille sur les boîtes quantiques dans un laboratoire de physique au MIT où elle continue à collaborer avec des chimistes.
Un crochet par la spintronique
En 2004, elle part faire sa vie en France et intègre pour deux ans l’unité mixte de physique CNRS/Thales (UMPhy – Univ. Paris-Saclay, CNRS, Thales), où officie le lauréat du prix Nobel de physique 2007 Albert Fert, pour faire de la spintronique. Cette discipline, contraction de spin et d’électronique, s’intéresse aux propriétés électriques et magnétiques des électrons. Albert Fert en est la figure de proue avec sa découverte de la magnétorésistance géante.
À l’issue, elle rejoint le C2N (ex-IEF) pour un dernier post-doctorat sur les matériaux utilisés en spintronique, avant d’être recrutée par le CNRS en 2007 pour approfondir ce sujet. « L’idée était de prendre des matériaux très particuliers, des oxydes magnétiques, et d’essayer de greffer des molécules à l’intérieur. » Elle y travaille quatre ans avant de se décider à changer à nouveau de domaine de recherche.
Une réorientation dans les technologies bio-inspirées
Au détour de ses lectures personnelles, elle est éclairée par le biologiste Eric Kandel. « J’ai été frappée par le fait qu’il choisit ses projets en fonction de ce qui l’intéresse, raconte-t-elle. En physique, en tant qu’expérimentaliste, j’ai toujours cherché des projets qui correspondaient aux expériences et aux manipulations que je pouvais mettre en place. Je me suis rendu compte que ce n’était pas la façon la plus intéressante de trouver des sujets. Du coup, j’ai décidé de me lancer dans la simulation, qui permet d’explorer plein de choses sans être forcément limitée par ses propres expériences. »
D’une famille de médecins, Laurie Calvet se laisse influencer par la biologie. En 2015, elle se lance dans l’étude des neuromorphiques : « il s’agit de créer des circuits nanotechnologiques en s’inspirant du biologique », explique-t-elle. Ce domaine de recherche est une continuité logique pour beaucoup de personnes ayant travaillé en électronique moléculaire. Mais Laurie Calvet souhaite également mettre à contribution ses connaissances acquises en chimie, en ingénierie électronique et en physique des dispositifs pour les appliquer à son nouveau champ de recherche. Ce mélange des disciplines est une forte composante de son nouveau laboratoire. « Le C2N facilite les collaborations. Vous interagissez avec plein de gens très ouverts et cela créée une synergie vraiment intéressante », commente-t-elle.
Avec un chercheur allemand spécialisé dans l’électronique organique, elle monte un projet d’intelligence artificielle (IA) au service de la santé : BAYOEN. L’objectif est de développer, à partir des nouveaux transistors électrochimiques organiques, des capteurs autonomes intelligents bio-inspirés pour détecter les anomalies cardio-vasculaires : ces capteurs transforment des données d’électrocardiogramme, simulées par des réseaux de neurones à impulsion, en données probabilisée. En mai 2021, BAYOEN fait partie des 21 projets sélectionnés dans le cadre de l’appel à projets franco-allemand lancé par le ministère français de l’Enseignement supérieur, de la Recherche et de l’Innovation (MESRI) et le ministère fédéral allemand de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) autour de l’IA.
Des travaux pluridisciplinaires
Cette composante en biologie guide aujourd’hui les différents travaux de Laurie Calvet dans l’élaboration de nouvelles machines de calcul. Un prérequis à l’implémentation d’idées d’inspiration biologique dans la mise en place de paradigmes de calculs alternatifs est la compréhension de systèmes biologiques par un modèle physique qui peut ensuite être exploité. C’est en partant de cette réflexion que Laurie Calvet s’intéresse au ribosome. Ce système complexe, composé de protéines ribosomiques assemblées en une petite et une grande unité, traduit les ARNm en protéines grâce à l’intervention d’ARN de transfert (ARNt). « Je me suis passionnée pour ce sujet, s’enthousiasme la chercheuse. Le ribosome est la nanomachine ultime ! Il mesure 40 nanomètres et construit toutes les protéines alors que nos transistors basculent seulement de ON sur OFF et inversement. »
La chercheuse explore donc un modèle explicatif du fonctionnement physique des ribosomes, basé sur la structure topologique des interactions. Son approche est inédite car elle ne fait intervenir aucune chimie. « Les chimistes regardent le type de liaisons créées, et nous, nous estimons physiquement si les protéines et les ARNr se touchent à l’aide de modèles mathématiques : si elles sont proches, c’est qu’il y a interaction », détaille-t-elle. Pour ce projet, elle collabore avec l’Université d’Houston mais n’hésite pas à recruter une étudiante en biologie pour l’aider à mieux comprendre le domaine. « J’aime bien accueillir de jeunes étudiants en stage car ils sont curieux, enthousiastes et ont les yeux grands ouverts. C’est très motivant pour faire de la recherche ! », ajoute-t-elle avec engouement.
Elle contribue également à un autre projet bio-inspiré, en neuro-optique dont l’objectif est d’exploiter des neurones optiques pour réaliser des classifications. Tout comme les réseaux de neurones à impulsion imitent les fonctionnalités des neurones biologiques pour le calcul et le traitement de l'information neuro-inspirés, les micro-lasers à impulsion aident à construire un système optique neuromorphique. Ce projet a été récemment financé par un projet LABEX NanoSaclay, CANAPO et un projet ANR, PHOTOMIC.
« Ces deux projets, ‘Ribosome’ et ‘Neuro-optique’, de même que BAYOEN, ont des systèmes matériaux très différents : optique, organique, biologique, mais l’idée est toujours de comprendre comment améliorer la technologie en s’inspirant de la biologie », conclut-elle.
