Paris, 1er septembre 2011

Le rêve d'Einstein surpassé
Pour la première fois une expérience de stabilisation constante d'un état quantique a été réalisée par une équipe du laboratoire Kastler Brossel (CNRS/ENS/Collège de France/UPMC-Université Pierre et Marie Curie) sous la direction de Serge Haroche(1). Les chercheurs ont réussi à maintenir un nombre constant de photons au sein d'une cavité micro-onde de haute qualité. Ils décrivent les résultats de leur étude dans la revue en ligne Nature du 1er septembre 2011.
Le photon, grain élémentaire de lumière, n'est usuellement observable que lorsqu'il disparaît. L'œil absorbe les photons en les détruisant et traduit cette information à mesure qu'elle est enregistrée. Malgré tout, cette destruction n'est pas indispensable. Il y a 4 ans l'équipe du laboratoire Kastler Brossel a réussi une grande première : observer, des centaines de fois, un seul et même photon micro-onde piégé dans une boîte.
Dans leurs nouveaux travaux, les chercheurs vont encore plus loin : réussir à stabiliser un nombre de photons donné dans une « boîte à photons », cavité formée de deux miroirs supraconducteurs. C'est la première expérience complète de stabilisation quantique. Les stabilisations, en général, assurent le fonctionnement des systèmes qui nous environnent. Dans le cas d'un four, sa température de chauffe est assujettie à une valeur de consigne : lorsque la température idéale n'est pas atteinte, le four continue de chauffer puis maintient son état d'après les indications du thermostat.
Le transfert de ces concepts au monde microscopique quantique se heurte à un obstacle : la mesure -le thermomètre- change l'état du système. La stabilisation quantique consiste en une mesure réalisée par l'injection d'atomes, sondes ultrasensibles, dans la cavité. Cette mesure ne fixe pas le nombre de photons, mais donne sur celui-ci une information floue. Comme toute mesure quantique, elle modifie cependant l'état de la cavité. Un contrôleur – le thermostat –, prend en compte cette information ainsi que la perturbation de la mesure et pilote une source micro-onde classique – les résistances du four. Ainsi, la cavité est amenée ou ramenée vers un état où le nombre de photons a exactement la valeur prescrite.
Einstein avait un rêve, celui d'emprisonner un photon dans une boîte pendant un temps de l'ordre de la seconde. Cette stabilisation quantique permet aujourd'hui au groupe du LKB d'aller plus loin dans la réalisation de ce rêve en maintenant de façon permanente un nombre de photons choisi dans la boîte. Cette expérience est une étape importante vers le contrôle d'états quantiques complexes.

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Paris, 28 mars 2012

Il y a 14 600 ans, la mer est montée très rapidement lors d'une période de réchauffement
Il y a 14 600 ans, le niveau marin a connu une hausse brutale de presque 14 mètres en seulement 350 ans. Cette élévation impressionnante coïncide avec le début de la première période chaude qui marqua la fin de la dernière glaciation. De plus, la contribution de la calotte antarctique à cette élévation a été significative. Tels sont les résultats mis en évidence par une équipe du CEREGE 1 (Aix-Marseille Université/CNRS/IRD/Collège de France), en collaboration avec des collègues anglais et japonais. Publiés le 29 mars 2012 dans la revue Nature, ces travaux confirment l'existence d'une accélération majeure de la remontée du niveau marin entre -14 650 et -14 300 : il s'agit d'un des événements climatiques les plus marquants des derniers 20 000 ans.
Les coraux édificateurs de récifs sont des organismes qui vivent exclusivement dans les eaux tropicales. Très sensibles à la luminosité et la température, ils croissent à fleur d'eau, dans un intervalle de profondeur très restreint, ce qui en fait de bons marqueurs du niveau de la mer. L'étude de ces coraux fossiles, qui se sont formés au cours des dernières centaines de milliers d'années, permet donc de reconstituer les variations du niveau marin et les changements environnementaux passés. Ces archives fournissent ainsi des informations précieuses sur la dynamique et le comportement des calottes de glace du passé. Mieux appréhender cette dynamique permettra d'améliorer à terme la modélisation et la prévision des variations futures du niveau marin.

Dans le cadre d'une campagne de forages internationale effectuée en 20052 sur les pentes des récifs actuels de Tahiti, les chercheurs du Centre européen de recherche et d'enseignement en géosciences de l'environnement (Aix-Marseille Université/CNRS/IRD/Collège de France) ont carotté trois sites situés dans des récifs coralliens, au large de l'île de Tahiti. En datant ces archives, ils ont pu reconstituer les variations du niveau marin sur les derniers 16 000 ans3. Ces datations mettent en évidence une remontée extrêmement rapide du niveau de la mer au cours de la dernière déglaciation qui s'est déroulée entre -21 000 et -11 000 environ. Au cours de cette transition entre une dernière période glaciaire et le climat chaud que connaît actuellement la Terre, le niveau marin global est remonté d'environ 120-130 mètres sur presque 15 000 ans. Il était déjà acquis que cette augmentation n'avait pas été constante, mais qu'elle avait été ponctuée par des élévations rapides du niveau marin associées à des débâcles massives des calottes de glace. La plus importante de ces hausses, appelée Melt-Water Pulse 1A (MWP-1A), restait cependant par bien des aspects énigmatique.

Ces nouveaux travaux ont permis de confirmer l'existence de cet événement climatique majeur, tout en révélant pour la première fois son amplitude, sa chronologie et sa durée. Le début du MWP-1A a été daté à 14 650 ans, ce qui fait coïncider cet évènement avec le début de la première phase chaude qui marqua  la fin de la glaciation dans l'hémisphère Nord. Cette période, appelée Bølling4, s'est étalée sur un peu moins de deux mille ans et a vu la température de l'hémisphère Nord augmenter de près de 5°C en quelques années. Selon les chercheurs du CEREGE, la remontée du niveau global des océans au cours du MWP-1A aurait été de presque 14 mètres en seulement 350 ans. La vitesse de la remontée du niveau marin aurait été au minimum de 40 mm/an, vitesse qu'il faut comparer au taux moyen de 10 mm/an estimé pour la dernière déglaciation ou à celui de 3 mm/an observé aujourd'hui par satellite. En s'appuyant sur des simulations de modèles géophysiques, les chercheurs ont aussi établi que la calotte antarctique avait contribué très significativement, probablement pour moitié, au MWP-1A. Ces travaux illustrent l'instabilité des calottes glaciaires, en particulier de la calotte antarctique, à une perturbation climatique majeure et imposent un regard nouveau sur la contribution future de la calotte antarctique à la remontée du niveau des mers dans le contexte actuel de réchauffement climatique.

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Paris, 19 octobre 2012

Un assemblage de nano-machines pour mimer le muscle
Pour la première fois, un assemblage de milliers de nano-machines capables de produire un mouvement de contraction coordonné s'étendant jusqu'à une dizaine de micromètres, à l'instar des mouvements des fibres musculaires, a été réalisé par une équipe de l'Institut Charles Sadron du CNRS. Ces travaux novateurs menés par Nicolas Giuseppone, professeur à l'Université de Strasbourg, et impliquant des chercheurs du Laboratoire de matière et systèmes complexes (CNRS/Université Paris Diderot), valident expérimentalement une approche biomimétique conceptualisée depuis plusieurs années dans le domaine des nanosciences. Ils permettent d'envisager de très nombreuses applications en robotique, en nanotechnologie pour le stockage d'information, dans le domaine médical comme la réalisation de muscles artificiels ou pour concevoir d'autres matériaux incorporant des nano-machines (dotés de nouvelles propriétés mécaniques). Ces travaux viennent de paraître sur le site de la revue Angewandte Chemie International Edition.
La nature fabrique de nombreuses machines dites « moléculaires ». Assemblages de protéines très complexes, elles sont à l'origine de fonctions essentielles du vivant comme le transport d'ions, la synthèse de l'ATP (molécule énergétique) ou la division cellulaire. Nos muscles sont ainsi contrôlés par le mouvement coordonné de ces milliers de nano-machines protéiques qui ne fonctionnent individuellement que sur des distances de l'ordre du nanomètre. Mais en s'associant par milliers, elles amplifient le même mouvement télescopique jusqu'à atteindre notre échelle et ce, de manière parfaitement coordonnée. Même si des progrès fulgurants ont été accomplis ces dernières années par les chimistes de synthèse pour la fabrication de nano-machines artificielles (dont les propriétés mécaniques intéressent de plus en plus chercheurs et industriels), restait le problème de la coordination de plusieurs de ces machines dans l'espace et dans le temps.

C'est désormais chose faite puisque, pour la première fois, l'équipe de Nicolas Giuseppone a réussi à synthétiser de longues chaînes polymères incorporant par liaisons supramoléculaires (1) des milliers de nano-machines capables de produire chacune des mouvements télescopiques linéaires d'un nanomètre. Sous l'influence du pH, leurs mouvements simultanés permettent à l'ensemble de la chaîne polymère de se contracter ou de s'étendre sur une dizaine de micromètres, amplifiant ainsi le mouvement par un facteur 10 000, selon les mêmes principes que ceux utilisés par les tissus musculaires. Les mesures précises de cette prouesse expérimentale ont été effectuées en collaboration avec l'équipe d'Eric Buhler, physicien spécialiste de la diffusion du rayonnement au laboratoire Matière et Systèmes Complexes (CNRS/Université Paris Diderot).

Ces résultats obtenus par une approche biomimétique permettent d'envisager de très nombreuses applications pour la réalisation de muscles artificiels, de micro-robots ou pour la conception de nouveaux matériaux incorporant des nano-machines dotées de nouvelles propriétés mécaniques multi-échelles.

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Paris, 19 novembre 2007
La radioactivité de deux protons directement observée pour la première fois au GANIL
Dans une expérience réalisée au Grand accélérateur national d'ions lourds (GANIL), des physiciens du CEA, du CNRS/IN2P3 et de l'Université Bordeaux I(1) ont observé les particules émises dans un type particulier de désintégration, la radioactivité 2-protons. Ce résultat fait la une de Physical Review Letters(2)
Lors d'une expérience menée en septembre 2006, une équipe de physiciens du CEA, du CNRS/IN2P3 et de l'Université Bordeaux I avait enregistré les trajectoires des deux protons émis lors de la désintégration d'une dizaine de noyaux fer-45 (26 protons et 19 neutrons), des noyaux très exotiques car très pauvres en neutrons. Cette émission caractérise un type très rare de radioactivité, dite « 2-protons » car elle conduit à l'émission simultanée de deux protons. Elle doit son existence à un équilibre précaire des forces mises en jeu au sein du noyau.

Un dispositif expérimental spécifique
Pour étudier les mécanismes de cette forme de radioactivité si particulière et remonter aux interactions mises en jeu, il était nécessaire de mesurer individuellement les caractéristiques des protons émis. Dans ce but, les physiciens du projet ont développé un outil de détection permettant de visualiser en trois dimensions les trajectoires de particules chargées. Il s'agit d'une chambre dite « à projection temporelle » : les noyaux étudiés (tel que fer-45) y sont arrêtés dans un volume de gaz soumis à un champ électrique. Suite à la désintégration, les protons émis créent des charges électriques comme autant de traces de leur passage. Le détecteur permet de réaliser une « photographie » en 3 dimensions de ces charges électriques, les attirant vers une plaque de détection et mesurant le temps de déplacement.

Un appariement de particules surprenant
Cette radioactivité 2-protons, extrêmement rare, était prédite depuis les années 1960 par un physicien russe, V.I. Goldanskii, pour des noyaux atomiques comportant un très grand excès de protons par rapport à leur nombre de neutrons. Ce déséquilibre rend un tel noyau particulièrement instable et par conséquent très difficile à produire en laboratoire.
Chargés positivement, les protons se repoussent. Du fait de leur excès, la principale force de cohésion du noyau -l'interaction nucléaire forte- n'est plus capable de retenir les derniers protons : le noyau ne devrait simplement pas exister. Deux effets combinés permettent malgré tout de former ce noyau :
    •    l'un est lié à la courte portée des forces nucléaires qui crée une poche d'attraction à courte distance tandis que les forces électriques induisent une répulsion à longue distance. Ce phénomène correspond à la création d'une barrière de potentiel (dite « coulombienne »), retenant les protons excédentaires à l'intérieur du noyau,
    •     l'autre effet est créé par l'appariement des deux protons qui donne un léger surplus de stabilité lorsque les particules s'associent par paires.
Ainsi, les deux derniers protons sont liés ensemble dans le noyau jusqu'à ce qu'ils finissent par traverser simultanément la barrière coulombienne, quelques millièmes de secondes plus tard. Une fois hors du noyau, les protons ne sont plus appariés et redeviennent indépendants.

Les étapes d'une longue quête
Le processus de radioactivité 2-protons a été caractérisé pour la première fois par les mêmes chercheurs en 2002 au GANIL, pour une douzaine de noyaux fer-45. Parallèlement, des résultats concordants étaient obtenus au GSI (Darmstadt, Allemagne). Dans ces deux expériences, les mesures étaient indirectes et ne signaient pas explicitement l'émission des deux protons. Ce type de radioactivité a également été observé en 2004, par la collaboration française, pour un autre noyau, zinc-54 (30 protons, 24 neutrons). L'observation directe qui vient d'être publiée est donc une étape importante dans l'étude de ce nouveau phénomène.
Les prochaines expériences prévues au GANIL visent à produire et observer 10 à 100 fois plus de noyaux émetteurs de protons. La radioactivité 2-protons pourrait ainsi révéler les secrets de l'appariement des protons dans le noyau.

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