Pourquoi nous devrions remercier Einstein pour les appareils photo de nos smartphones

L'ingénieur a pris un flash d'appareil photo, l'a pointé vers le minuscule ordinateur à carte mère posé sur le bureau et a déclenché. Pendant une fraction de seconde, la pièce a été inondée de lumière. Tout le monde a cligné des yeux et a vu que l'ordinateur était en panne.

L'équipe Raspberry Pi venait de confirmer que son produit, un ordinateur bon marché vendu aux écoles et aux passionnés d'électronique, détestait être pris en photo. Du moins, lorsque la photo était prise avec un gros flash au xénon.

"Nous nous sommes tous amusés à le faire planter", se souvient Eben Upton, fondateur de Raspberry Pi. Ils avaient réalisé qu'une puce de l'ordinateur était sensible à l'effet photoélectrique, qui se produit lorsque la lumière déclenche la libération d'électrons, et donc un courant électrique. Une sorte d'"interrupteur lumineux" inversé, si vous voulez.

Upton et ses collègues n'avaient pas anticipé ce problème. Il a été découvert par un utilisateur du Raspberry Pi 2 moins d'une semaine après la mise en vente de l'appareil, début 2015. Dans les versions suivantes de l'ordinateur, la puce problématique a été recouverte d'un revêtement noir suffisamment épais pour absorber la lumière incidente.

Plus d'un siècle auparavant, Albert Einstein avait décrit l'effet photoélectrique dans un article révolutionnaire, l'un des quatre articles fondateurs qu'il a publiés en 1905 alors qu'il travaillait comme employé au bureau des brevets suisse. Plus tard, en 1921, il a reçu le prix Nobel de physique pour cette découverte.

L'effet photoélectrique a ensuite façonné toutes sortes de technologies, des alarmes antivol aux panneaux solaires en passant par l'appareil photo de votre smartphone.

"Phénomènes étranges"

Pour mieux comprendre, pensez à la question qui préoccupait Einstein en 1905 : de quoi est faite la lumière ?

À l'époque, de nombreux scientifiques pensaient que la lumière existait uniquement sous forme d'onde, qui, selon certains, traversait l'univers dans un "éther lumineux" intangible. Mais pour Einstein, cette idée semblait ridicule, "comme le Père Noël", explique Steve Gimbel du Gettysburg College aux États-Unis.

Des scientifiques, dont Heinrich Hertz, avaient déjà démontré différentes versions de l'effet photoélectrique en utilisant la lumière pour générer de minuscules étincelles ou pour charger électriquement des morceaux de feuille d'or, les amenant à se repousser les uns les autres.

"Il existait certains phénomènes étranges et inexpliqués où la lumière pouvait créer de l'électricité, ce qui épatait les gens, car cela semblait n'avoir aucun sens", explique Gimbel.

Le plus étrange était que l'intensité de la lumière n'avait aucune incidence sur l'énergie des électrons produits, contrairement à la fréquence, ou couleur, de la lumière. C'était ahurissant. Plus de lumière devrait signifier plus d'énergie, n'est-ce pas ?

Eh bien, Einstein s'est rendu compte que si la lumière n'était pas seulement composée d'ondes, mais aussi de paquets ou de particules discrets (qui ont ensuite été appelés photons) se déplaçant sous forme d'ondes, alors l'énergie de ces particules individuelles pourrait expliquer ce phénomène.

"Lorsqu'un photon unique frappe un électron, celui-ci [l'électron] s'excite", explique Paul Davies, de l'université de York. Tant que ce photon arrive avec suffisamment d'énergie, l'effet photoélectrique se produit et l'électron est libéré du matériau.

Imaginez que vous jetiez de minuscules bâtons de dynamite dans un tonneau ouvert rempli de boulets de canon. Les petites explosions ne suffiront pas à faire sortir un boulet de canon, quel que soit le nombre de fois où vous en jetez un. Mais si vous utilisez de la dynamite plus puissante, avec plus d'énergie, cela fera voler les boulets de canon.

La valeur énergétique d'un photon est directement liée à la couleur de la lumière visible : les photons de la lumière bleue se déplacent sur des ondes plus courtes et ont plus d'énergie que ceux de la lumière rouge, par exemple. C'est pourquoi Hertz a découvert que la lumière ultraviolette, particulièrement énergétique, produisait des étincelles plus fortes lors d'une de ses expériences.

Cornes de brume et cellules photovoltaïques

Gimbel souligne qu'Einstein n'a pas inventé cette théorie à partir de rien. Il s'est inspiré non seulement des travaux de Hertz et d'autres chercheurs, mais aussi de la théorie des "quanta" du physicien Max Planck, selon laquelle le rayonnement, y compris la lumière, est constitué de paquets d'énergie discrets, théorie pour laquelle Planck a également reçu le prix Nobel de physique en 1918. Mais en 1905, ce concept était encore controversé.

"Einstein avait un esprit révolutionnaire qui le poussait à envisager d'autres approches", explique Gimbel. "Il a pris au sérieux cette idée que la lumière pouvait être quantifiée."

Les travaux d'Einstein ont suscité la controverse, en particulier sa théorie de la relativité restreinte. Certains membres du comité Nobel de physique de l'époque ont hésité à lui décerner le prix et, lorsqu'ils l'ont fait, ils ont choisi de le récompenser pour ses travaux sur l'effet photoélectrique plutôt que pour ceux sur la relativité.

Les scientifiques ont longtemps débattu pour savoir si c'était le meilleur choix, mais il ne fait aucun doute que l'exploitation de l'effet photoélectrique a changé le fonctionnement de notre monde, car de nombreuses technologies en dépendent.

Les détecteurs de mouvement des systèmes d'alarme antivol, par exemple, émettent un faisceau de lumière infrarouge. Lorsque ce faisceau est interrompu par un intrus, la lumière reçue par le détecteur change, modifiant le courant électrique, ce qui déclenche l'alarme.

Les lignes d'arrivée des courses organisées lors des Jeux Olympiques utilisent des cellules photoélectriques pour détecter avec précision le moment où les coureurs franchissent la ligne. Cette technologie permet aux navires de détecter le brouillard et d'activer automatiquement leurs cornes de brume. Elle permet également aux voitures d'activer spontanément leurs essuie-glaces lorsqu'il pleut.

À proprement parler, l'effet photoélectrique désigne un phénomène dans lequel des électrons s'échappent d'un matériau, mais M. Davies explique que ce phénomène est étroitement lié à l'effet photovoltaïque, dans lequel le mouvement des électrons facilite le passage d'un courant électrique à travers des matériaux adjacents.

C'est ce que font les cellules solaires des panneaux solaires lorsqu'elles transforment la lumière du soleil en électricité, contribuant ainsi à alimenter les réseaux électriques en énergie propre et renouvelable et à lutter contre le changement climatique.

Capteurs en silicium

Une autre application populaire de l'effet photoélectrique concerne les capteurs des appareils photo, la partie sensible à la lumière d'un appareil photo numérique qui capture les images. Presque tous utilisent la technologie CMOS, qui a été mise au point par la NASA dans les années 1990 pour être utilisée dans l'espace, mais qui a fini par être installée sur des milliards de smartphones. "Le capteur d'image CMOS était le dispositif idéal pour cela. Il s'est avéré être l'application phare", explique l'ingénieur Eric Fossum, qui a travaillé sur le projet.

Le silicium est le matériau clé utilisé dans les capteurs CMOS et M. Fossum, qui travaille désormais au Dartmouth College, note que l'effet photoélectrique dans le silicium est déclenché par de nombreuses couleurs de lumière.

"Peu importe qu'il s'agisse de lumière verte, rouge ou bleue, un photon libérera exactement un électron. Nous avons en quelque sorte de la chance de ce côté-là." Cela aide vraiment lorsque vous souhaitez capturer la couleur d'un sujet dans les moindres détails.

Aujourd'hui, Fossum et ses collègues travaillent sur des capteurs d'images sensibles à la plus petite quantité de lumière imaginable : un seul photon. Ces dispositifs, également appelés compteurs de photons, sont déjà utilisés pour des expériences en laboratoire, mais ils pourraient également révolutionner les technologies d'imagerie numérique, par exemple en améliorant la qualité des images des scanners médicaux et en exposant les patients à moins de rayonnements. Les applications potentielles ne s'arrêtent pas là. "Grâce à cette nouvelle technologie, nous serons pratiquement capables de voir dans le noir", explique Fossum.

Dimitra Georgiadou, de l'université de Southampton, est une autre scientifique qui travaille sur des dispositifs exploitant l'effet photoélectrique. Avec ses collègues, elle développe des technologies capables de détecter la lumière et de traiter les informations la concernant sans avoir à envoyer les données à un système informatique central pour analyse. "Cela réduit considérablement la quantité d'énergie nécessaire", explique Georgiadou.

Cela pourrait aider les chercheurs à mettre au point des yeux bioniques très avancés et à redonner la vue aux personnes aveugles en permettant la conception de dispositifs plus petits, plus faciles à implanter et plus économes en énergie. Cela pourrait également permettre aux voitures autonomes de prendre plus rapidement des décisions concernant le moment où il faut freiner pour des raisons de sécurité.

Lueur lunaire

La technologie de détection de la lumière sur laquelle se concentre Georgiadou ne repose pas sur le silicium, mais plutôt sur des matériaux organiques contenant du carbone. Ceux-ci peuvent être réglés pour ne réagir qu'à des couleurs spécifiques de lumière et peuvent également être imprimés sur des substrats flexibles.

Une telle technologie pourrait être utilisée dans des capteurs de lumière portables à faible consommation d'énergie, capables de suivre le rythme cardiaque et le taux d'oxygène dans le sang des prématurés, par exemple, en projetant de petites quantités de lumière à travers leur peau et dans leurs veines.

Depuis qu'Einstein a couché sur papier sa théorie sur l'effet photoélectrique en 1905, nous avons certainement trouvé beaucoup de choses amusantes à faire avec. Mais ce n'est pas tout. La compréhension de cette incroyable interaction entre la lumière et la matière a révélé des détails curieux sur le fonctionnement de l'univers.

Dans les années 1960, certains des premiers modules lunaires ont pris des photos de l'horizon lunaire et ont remarqué quelque chose d'étrange : une lueur bizarre, presque comme un coucher de soleil qui s'estompe doucement. Sauf que la Lune n'a pas d'atmosphère comme la Terre, et que c'est la diffusion de la lumière par les particules de notre atmosphère qui crée les levers et les couchers de soleil lorsque la planète tourne sur son axe.

D'où venait cette lueur lunaire ? Il s'est avéré que la lumière du soleil frappait la poussière à la surface de la Lune et, par effet photoélectrique, lui conférait une charge électrique positive.

Ces petites particules de poussière se repoussaient donc les unes les autres, lévitant périodiquement au-dessus de la surface lunaire. Ce faisant, elles captaient la lumière du soleil récemment couché et créaient cette lueur magique.

Ce contenu a été créé dans le cadre d'une coproduction entre Nobel Prize Outreach et la BBC.