Du laser au spaser
Cette année, le prix R?ssler est décerné à David J. Norris. Ce professeur de technologie des matériaux au Département de génie mécanique et des procédés étudie la nano-optique à l'interface de la chimie, de la science des matériaux et de l'ingénierie.
Lors de la manifestation de Thanksgiving organisée par l'ETH Foundation jeudi dernier, l'homme de 47 ans a re?u le prix R?ssler, doté de 200 000 francs, pour ses recherches. Ce prix est décerné depuis 2009 à des chercheurs prometteurs de l'ETH Zurich qui sont en phase d'expansion de leur carrière. Avec David Norris, c'est la première fois qu'un représentant du Département de génie mécanique et des procédés (D-MAVT) re?oit cette distinction très convoitée.
"Ce prix est pour moi un grand honneur et aussi une grande surprise", déclare le professeur de technologie des matériaux et directeur du Laboratoire de technologie des matériaux optiques. "De grands noms figurent sur la liste des lauréats précédents".
Pour Detlef Günther, Vice-président pour la recherche et les relations économiques de l'ETH Zurich, Norris est un excellent choix. "Il est innovant dans ses recherches, c'est un professeur d'université enthousiasmant et il s'engage pour l'ETH", dit-il. Et le fondateur du prix, Max R?ssler, abonde dans ce sens : "David Norris est un chercheur solide avec des idées extraordinaires et créatives. Son travail dans le domaine de la nanotechnologie m'a beaucoup impressionné jusqu'à présent. Ses recherches ont un fort potentiel pour des applications industrielles et médicales".
Chimiste multidisciplinaire
David Norris n'est pas un ingénieur mécanique "classique". Ses recherches se situent à l'intersection de la Science et ingénierie des matériaux, de l'optique et de la chimie physique. Il est spécialisé dans la fabrication et l'étude de matériaux optiques synthétiques qui n'existent pas dans la nature. Son objectif est de trouver des structures qui interagissent avec la lumière d'une manière nouvelle et spéciale.
Lui et ses collaborateurs ont ainsi créé un film mince de silicium d'une structure particulière, capable d'éteindre en son sein la lumière d'une longueur d'onde donnée. "C'était un grand défi de concevoir un matériau de manière à ce qu'il présente ces propriétés spécifiques", explique Norris. Pour cela, il fallait traiter le silicium de manière à créer des pores de taille nanométrique disposés de manière régulière. Le motif ne devait présenter aucun défaut. La solution - "en tant que chimiste, j'aspire à une approche aussi simple que possible" - a finalement été aussi élégante qu'astucieuse : le chercheur et ses collaborateurs ont utilisé de minuscules billes de verre qui se sont spontanément organisées en grille de manière auto-organisée. Les espaces intermédiaires ont ensuite été remplis de silicium et les billes de verre ont été éliminées par gravure. Un tel matériau peut par exemple être utilisé pour étudier de nouveaux phénomènes optiques.
Grenouilles arc-en-ciel et spasmes
L'Américain s'intéresse également aux matériaux connus sous le nom de quantum dots (points quantiques). Gr?ce à des décennies de recherche, ceux-ci sont utilisés dans la dernière génération de téléviseurs pour produire des couleurs rouges et vertes à l'écran. Norris travaille avec celles qui sont composées de séléniure de cadmium et dont la taille est comprise entre 2 et 8 nanomètres. Lorsque les particules sont excitées par de la lumière bleue, elles se mettent à briller - d'une couleur différente selon la taille des points quantiques.
Le professeur de l'ETH a réalisé des expériences remarquables avec ces derniers. Ses collaborateurs ont ainsi injecté ces colorants fluorescents dans des cellules individuelles d'embryons de grenouilles en début de développement. Les chercheurs ont ensuite observé comment l'embryon se développait pour devenir un têtard. ? chaque division cellulaire, les points quantiques injectés ont été répartis entre les cellules filles. Gr?ce aux différentes lueurs des points quantiques, les scientifiques ont pu identifier la cellule d'origine à partir de laquelle chaque métier ou organe s'est développé. "Ces 'grenouilles arc-en-ciel' étaient toutefois plut?t une application ludique visant à démontrer le potentiel et le principe d'action des quantum dots dans l'imagerie biologique", explique Norris. Comme les quantum dots utilisés contenaient du cadmium, un élément toxique, d'autres matériaux doivent être utilisés pour les applications médicales.
Les recherches de Norris se concentrent également sur ce que l'on appelle les plasmons de surface, un type particulier d'ondes lumineuses qui apparaissent sur les surfaces métalliques. En dotant la surface métallique de structures spéciales telles que des pointes ou des arêtes vives, les scientifiques peuvent utiliser un plasmon pour concentrer la lumière sur des volumes minuscules à l'échelle nanométrique. Cela n'est pas possible avec les lentilles traditionnelles. Les applications sont par exemple les cellules solaires, les capteurs ou les procédés d'imagerie.
L'un des objectifs de la recherche de Norris dans ce domaine est un nouvel instrument appelé "spaser". Pour ce faire, son groupe a fabriqué une minuscule arête sur laquelle sont placés deux miroirs en argent. Les miroirs ne sont séparés que de 10 micromètres, ce qui correspond à un sixième du diamètre d'un cheveu. En collaboration avec le groupe du professeur de l'ETH Dimos Poulikakos du D-MAVT, les chercheurs ont imprimé avec précision des points quantiques sur l'arête.
Le plasmon généré par l'excitation de ces structures va et vient exactement le long de la crête entre les miroirs. Norris et ses collaborateurs ont ainsi réussi la première étape vers le spaser, un nouveau type de nano-laser.
En 2013, Norris a re?u un ERC Advanced Grant pour ce projet sur les spasers. "Nous n'en sommes qu'au début de cette recherche, mais avec ce que nous avons accompli jusqu'à présent, un de mes rêves vieux de 20 ans commence à devenir réalité", déclare le professeur de l'ETH. "Nous pouvons désormais contr?ler tellement de propriétés des matériaux modernes. Nous pouvons également les combiner de nouvelles manières et il n'est pas toujours facile de prédire ce qui va se passer. C'est ce qui rend cette recherche si passionnante".
De Chicago à Zurich
Norris est originaire de Chicago. Il a commencé sa carrière scientifique par des études de bachelor en chimie, qu'il a obtenues en 1990 à l'université de Chicago. Pour sa thèse de doctorat en chimie physique, il s'est rendu au MIT, où il a obtenu son doctorat en 1995. Après des arrêts de recherche à l'Université de Californie, San Diego, au NEC Research Institute de Princeton et à l'Université du Minnesota, il a été nommé en 2010 à l'ETH Zurich, où il fait depuis lors de la recherche et enseigne.
Remise du prix R?ssler Max 2015
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Le lauréat David Norris avec l'acte que lui ont remis le président de l'ETH Lino Guzzella et Max R?ssler (à gauche). (Toutes les photos : Monika Estermann) -
Lino Guzzella, président de l'ETH, rendant hommage au lauréat. -
Max R?ssler félicite David Norris.
Prix R?ssler
Max R?ssler a étudié les mathématiques à l'ETH Zurich, puis a travaillé pendant plus de 20 ans pour une grande banque suisse avant de se retirer des affaires. En 2008, il a légué dix millions de francs à l'ETH Zurich Foundation. Avec les intérêts générés par cette fortune, il voulait permettre la création d'un prix annuel d'encouragement pour les professeurs de l'ETH particulièrement prometteurs dans la phase d'expansion de leur carrière de chercheur. Le prix R?ssler est la distinction la mieux dotée pour la recherche à l'ETH Zurich et est décerné chaque année à l'occasion de l'action de gr?ce de l'ETH Zurich Foundation. David Norris est déjà le cinquième lauréat du prix R?ssler. L'année dernière, c'est Christian Wolfrum du Département des sciences et technologies de la santé (D-HEST) qui avait re?u cet honneur. Le prix est doté de 200'000 francs suisses.