Auteur : Pascal Ruello, Institut des Molécules et Matériaux du Mans, UMR CNRS 6283 Le Mans Université.

Direction Editoriale EchoSciences Pays de la Loire : Maéna Gérault

Dans cet article nous allons parler de l’emploi de la lumière pour faire vibrer les atomes dans les matériaux. Nous allons plus spécifiquement parler de vibrations atomiques ultra-rapides collectives appelées hypersons. Ce sont des sons encore plus haute fréquence que les ultrasons. Ces ondes mécaniques ne sont accessibles que grâce à des flashs lumineux ultra-rapides (flash laser femtoseconde) et font l’objet actuellement de nombreuses recherches fondamentales. Au-delà de la physique riche de ce domaine, ces hypersons pourraient devenir très intéressants pour les technologies de l’information de demain.

Les atomes et leurs vibrations

La matière est constituée de très petits grains appelés atomes. La taille d’un atome est de l’ordre d’un mètre divisé par dix milliards (un cheveu a une épaisseur de 50 micromètres soit un mètre divisé par vingt mille). La démonstration de l’existence des atomes est une longue histoire qui a été très débattue pendant des siècles, depuis les idées philosophiques de Démocryte (5ème siècles avant JC), puis les approches scientifiques de Dalton (1766-1844), chimiste britannique, jusqu’à Jean Perrin, physicien français (1870-1942), et auteur du célèbre ouvrage Les Atomes paru en 1913. Grâce à différentes techniques inventées au dernier siècle (diffraction des rayons X, microscopie électronique, microscope à effet tunnel) nous avons un moyen de voir ces atomes directement ou indirectement désormais.

Ces atomes lorsqu’ils sont ordonnés forment des cristaux qui donnent lieu à de jolies formes géométriques dont les joailliers aiment tailler les facettes pour en faire de beaux bijoux (Améthyste, Aigue-marine, Topaze, -Rubis, Saphir, Diamant). Mais au-delà de l’aspect esthétique, ces cristaux, de par leur arrangement (quasi) parfait, et selon la nature chimique des éléments qui les constituent, possèdent de très nombreuses propriétés dont nous nous servons tous les jours. Que ce soit des propriétés mécaniques (dureté exceptionnelle du nitrure de silicium et du diamant utilisée pour la découpe), propriétés électriques (silicium, arséniure de gallium pour la technologie des semiconducteurs et l’électronique), photovoltaïques (silicium pour les panneaux solaires), magnétiques (aimants métalliques et oxydes à base de fer et de terre rares pour mémoires des ordinateurs et les moteurs électriques), optiques (le silicium et le germanium pour les caméras et les photodétecteurs), piézoélectriques (cristaux d’oxydes PZT pour l’échographie médicale et pour les air-bag), la liste est très très longue. Toutes ces propriétés sont rassemblées dans la grande communauté des Sciences des Matériaux.

Figure 1 : (a) schéma d’un atome avec les électrons périphériques et le noyau au centre composés de protons et neutrons. (b) modélisation des vibrations d’une molécule formée de deux atomes dont la liaison est modélisée par un ressort. (c) Arrangement tri-périodique à longue distance de ces atomes (pavage parfait de l’espace à 3D) pour former des cristaux. Ces atomes peuvent vibrer collectivement car tous « attachés » par des ressorts : ces ondes sont appelées hypersons. (d) image de cristaux de quartz (Créateur : peterschreiber.media | Crédits : Getty Images). Les flèches en rouge donnent l’ordre de grandeur des distances (nm est le nanomètre, 1 nm=0.000000001 m=10^-9m).

En plus d’être très petits ces atomes, attachés les uns aux autres, comme des billes attachées par des ressorts (Fig. 1(b)), vibrent à une cadence folle en raison de l’agitation thermique (multitudes de collisions moléculaires et atomiques). Imaginez une balançoire qui ferait mille milliards d’allers-retours par seconde ! C’est exactement la fréquence de vibration des atomes : c’est le domaine de fréquence appelé terahertz (1THz=10¹² Hz). Converti dans le domaine temporel, cela correspond à des oscillations (allers-retours) ayant des périodes d’une picoseconde (1 ps = 10^-12s) soit une seconde divisée par mille milliards. Le tic-tac d’une montre a une période d’oscillation d’une seconde, soit 1 Hz (1 Hertz). Autre élément de comparaison, la fréquence du réseau EDF est de 50 Hz et vos yeux ne peuvent pas voir une lumière qui clignote à une fréquence supérieure à 30 Hz, c’est-à-dire supérieure à 30 clignotements par seconde (effet de la persistance rétinienne).

Cette introduction faite, nous allons discuter pourquoi et comment le contrôle par la lumière des fréquences de vibration des atomes dans les matériaux, et plus spécifiquement des vibrations collectives appelées hypersons (Fig. 1(c)), peut contribuer aux nouvelles technologies de l’information de demain.

Moduler un signal pour communiquer

C’est grâce à des lasers femtosecondes qu’il est désormais possible de voir vibrer les atomes dans les solides et en plus de les faire bouger à souhait ! Ces lasers femtosecondes sont en quelque sorte des « super appareils photographiques » possédant des « flash » lumineux d’une durée plus brève que le « tic-tac » des vibrations atomiques, soit des flashs d’une durée d’une seconde divisée par dix mille milliards.

Au-delà de la physique fondamentale passionnante (physique des phénomènes ultra-rapides) qui s’est ouverte pour la communauté des physiciens, pourquoi contrôler le mouvement des atomes à ces fréquences folles peut-il intéresser les technologies de la télécommunication ? Cette physique des phénomènes ultra-rapides est un élément clef pour ces sciences de la télécommunication car elle doit permettre en fait d’envisager de moduler un signal à très haute fréquence. Sans modulation d’un signal, pas de codage d’information, donc pas de message intelligible !

Que veut dire « modulation d’un signal » ? La modulation est l’action physique (mécanique, électrique, optique, etc) qui permet de faire varier un signal qui lui-même peut être de différente nature (mécanique, électrique, optique, etc). Quand on parle, nous actionnons mécaniquement nos cordes vocales pour moduler la pression de l’air dans la gorge et émettre différents sons (ondes acoustiques) pour dialoguer.

Au-delà de la parole, cette modulation du signal est employée depuis très très longtemps. Nous n’oublions pas en effet comment les amérindiens communiquaient déjà à grande distance en « modulant » les volutes de fumées (Fig. 2(a)). Sur le continent européen est venu ensuite au 18^ème siècle le télégraphe aérien (1793) de Claude Chappe (1763-1805). Ce télégraphe aérien s’appuyait sur un codage (cadence de la minute) via un mât articulé prenant différentes formes regroupées dans l’alphabet de Chappe présenté sur la Fig. 2(b). Ce télégraphe était déployé entre plusieurs grandes villes françaises pour des besoins militaires notamment.

Le télégraphe électrique (Fig. 2(c)) s’est imposé ensuite, avec le code Morse inventé en 1838. L’information est ici encodée avec des impulsions électriques qui se propagent se long des lignes télégraphiques (l’ancêtre de notre téléphone filaire). Le Morse est encodé à la cadence de l’activité manuelle de l’opérateur qui agit sur le contacteur (rapidité de quelques dixièmes de secondes).

Viennent ensuite dès la fin du XX siècle les ondes Hertziennes (ondes électromagnétiques) avec le premier signal hertzien transatlantique sans fil (voie aérienne) de G. Marconi en 1901. C’est cette physique des ondes électromagnétiques qui est à la base de la radio hertzienne qui permis le transport de l’information à la fréquence du MHz (mégahertz, un million de battements par seconde) dans la deuxième moitié du XX siècle. Ces fréquences MHz sont toujours les fréquences des radios FM (pour les voies hertziennes-aériennes).

Prenons, le téléphone portable (Fig. 2(d)), il repose encore sur ces ondes électromagnétiques pour la communication mais à bien plus haute fréquence. Pour capter, analyser, coder les signaux électromagnétiques que les antennes de nos « smart phone » captent et émettent, nous utilisons des technologies GHz (gigahertz, 10⁹ Hz pour les générations 4G et 5G de la téléphonie mobile, https://fr.wikipedia.org/wiki/Fréquences_de_téléphonie_mobile_en_France), soit des technologies permettant de manipuler/moduler des courants électriques à hauteur d’un milliard de battements par seconde. C’est une technologie qui va en quelque sorte mille fois plus vite que celle de G. Marconi. C’est grâce à ces technologies GHz que l’on peut envoyer une photo de taille de 1 Mo (1Mo = megaoctet) en une seconde mais plus important, de pouvoir envisager des opérations chirurgicales complexes d’une ville à l’autre, voire d’un continent à l’autre, à l’aide de robot-manipulateurs synchronisés (télé-chirurgie).

En résumé, dans les technologies de l’information, plus grande est la cadence de modulation d’un signal (électrique, mécanique, optique), plus grande est la quantité d’informations transmises en une seconde : c’est la clef.

Nous voyons bien que nos moyens de télécommunication ont donc drastiquement évolué avec une augmentation continue de cette fréquence de « modulation » du signal de la seconde (le Hertz-Hz) jusqu’au million de Hertz (gigahertz-GHz ).

Figure 2 : (a) Amérindiens utilisant des signaux de fumée, peinture de Frederic Remington ; Amon Carter Museum, Fort Worth. (b) Télégraphe aérien (Tour Chappe) et son alphabet. Fédération des Opérateurs Radio et Signaleurs de France https://www.forsf.fr/2025/02/20/le-telegraphe/ (c) Télégraphe électrique de Morse. Télégraphe de Morse (1837), collection historique de France Télécom, Cité des télécoms, France. (d) Téléphone portable et image d’un filtre SAW qui sert à filtrer et transformer le signal hertzien en signal électrique utile pour la téléphonie. (e) Fibres optiques. (f) Montage optique « pompe-sonde » du pôle Laser Femtoseconde de IMMM-Le Mans Université.

Moduler un signal à très haute fréquence grâce à la lumière

Nous y sommes donc, comment moduler encore plus vite un signal pour transmettre encore plus d’information en une seconde ?

L’électronique actuelle haute gamme comme celle qui est présente dans nos téléphones mobiles (Fig. 2(d)) combine et manipule déjà des signaux électriques jusqu’à des très hautes fréquences de modulation atteignant typiquement 1-3 GHz (les fameuses technologies 3G, 4G, 5G).

Vous ne le saviez peut-être pas mais cette téléphonie 3-4-5G fonctionne de plus grâce aux vibrations collectives atomiques dans des cristaux spécifiques (oxyde de zinc, niobate de lithium). A ces fréquences du gigahertz, ces vibrations collectives atomiques sont des ultrasons.

Les ultrasons sont utilisés dans ces téléphones dans des « super-oreilles ». Ces « super-oreilles » sont les filtres et résonateurs SAW (SAW pour Surface Acoustic Waves) qui sont très nombreux (30 à 50) selon les modèles de téléphone.

Ces dispositifs SAW, « magiques », transforment les signaux électromagnétiques (captés par les antennes) en ultrasons grâce à l’effet piézoélectrique. Ces composants SAW sélectionnent judicieusement ensuite le signal utile avant de les retransformer ensuite en des signaux électriques analysables par les microprocesseurs du téléphone.

Ces composants SAW sont des filtres « acousto-électriques » (mariage de l’acoustique et de l’électronique) qui sélectionnent et reconnaissent le bon appareil. C’est grâce à ces filtres que nous pouvons communiquer même dans une foule remplie de téléphones émettant tous en même temps. Toute une série de chiffrements complexes est aussi mise en place pour spécifier chaque appareil (carte SIM)

Revenons à nos atomes et à leurs vibrations folles qui affolent les compteurs !! Si nous pouvions utiliser des vibrations atomiques au terahertz (THz), les hypersons (1000 fois plus rapides que les ultrasons), pour les intégrer dans ces filtres « acousto-électriques », on multiplierait alors par mille nos capacités à transmettre et analyser les informations ! Quels sont les verrous alors ?

En fait, l’électronique actuelle (de nos « super-oreilles » 5G) nécessitent des courants électriques (d’où « acousto-électrique ») qui mettent un certain temps à se mettre en place. La mobilité des électrons n’est pas immédiate !

Quand vous allumez la lumière ou votre ordinateur, vous soumettez des électrons (charges négatives) à un champ électrique (mise sous tension comme dans une pile) qui va faire se déplacer ces électrons dans le circuit considéré pour actionner les fonctions attendues. Ces électrons demeurent potentiellement animés par une grande vitesse puisque la vitesse dite de Fermi (Enrico Fermi, physicien Italien 1901-1954) peut atteindre un million de mètre par seconde dans certaines situations (V_Fermi=10⁶ m/s=1000000 m/s), bien plus élevée que la vitesse du son dans l’air (V_son=340 m/s). Quelle est alors la limite ? Les composants de la microélectronique comme les microprocesseurs et autres amplificateurs opérationnels par exemple, avec tous les contacts électriques et les épaisseurs intrinsèques des dispositifs (quelques micromètres), nécessitent en général un certain temps de réponse de l’ordre de la nanoseconde (une seconde divisée par un milliard).

Aussi, ce temps de réponse intrinsèque des composants, certes très court, ne permet cependant pas bien d’échanger les signaux électriques au-delà de la fréquence de quelques gigahertz (GHz) (ce qui demeure déjà fantastique !). Notre « super-oreille acousto-électrique » ne peut donc pas être pilotée à des fréquences supérieures au gigahertz.

Pour aller plus vite, et outre-passer cette limite électronique, il faut regarder ailleurs, et regarder là où la lumière est !

Nous avons dit vitesse formidable pour les électrons avec cette vitesse de Fermi d’un million de mètres par seconde, mais la lumière va encore plus vite, c’est même la vitesse théorique maximale dans l’univers, soit trois cents millions de mètres par seconde (3.10⁸ m/s). En conséquence, si nous analysons la fréquence d’oscillation de la lumière visible (qui est aussi une onde électromagnétique), nous atteignons, pour la couleur rouge par exemple, une fréquence extraordinaire (dans l’air) de 3.75.10¹⁴ Hz soit plus de cent mille milliards de battements (oscillations) par seconde.

Nous avons donc trouvé ce qu’il faut pour accélérer les technologies de communication : la lumière. Ceci ne vous étonnera pas car la lumière (exploitée dans le domaine appelé photonique en raison du grain de lumière appelé photon en regard de l’électron charge électrique élémentaire de la matière à la base de l’électronique) est présente dans les technologies domestiques comme la fibre optique (Fig. 2(e)) qui permet en une fraction de seconde de communiquer avec les autres continents. Certains microprocesseurs (ces calculateurs au cœur de nos unité centrale de nos ordinateurs) commencent d'ailleurs à conjuguer électronique et photonique (IBM Zurich, https://www.bulletin.ch/fr/la-lumiere-booste-les-processeurs).

Outre sa rapidité, la lumière a l’avantage de pouvoir agir à distance et sans contact mécanique. Donc il faut amorcer la transition des dispositifs « acousto-électriques » (de nos chères « super-oreilles » SAW) et vers une technologie qui intègre plus d’optique avec, par exemple, des dispositifs « acousto-optiques » ultra-rapides : comprendre cette physique est au cœur de notre projet FASTFerro et ANR THzMUFINS (https://anr.fr/Projet-ANR-21-C...).

Figure 3 : (a) ondes mécaniques à la surface de l’eau. La longueur d’onde de vibration est de l’ordre du centimètre (). (b) principe du montage « pompe-sonde » employant des impulsions laser ultra-brèves (femtoseconde) pour générer des phonons acoustiques (avec le faisceau bleu dit « pompe ») et détecter (avec le faisceau orange dit « sonde ») comment ces phonons modulent l’intensité dudit faisceau sonde. (c) signal typique mesuré par le détecteur montrant des oscillations de période de l’ordre de 10 picosecondes soit une fréquence de 100 GHz [1].

Notre projet FASTferro

Dans nos recherches nous avons donc étudié comment il est possible de moduler des signaux optiques et acoustiques à des fréquences très élevées approchant le THz (hypersons) grâce à l’emploi des incroyables lasers femtosecondes.

Pour mener ces recherches nous avons utilisé nos lasers femtosecondes (laser ultra-rapides du pôle Laser Femtoseconde de IMMM-Le Mans, voir exemple d’un banc optique Fig. 2(f)). Ces formidables « appareils photographiques » délivrant des impulsions de lumière (« flash ») d’une durée de 100fs (1 fs=femtoseconde=10^-15s).

Comment cela fonctionne ? Grâce à une première impulsion laser très brève (appelée « pompe », Fig. 3(b)) nous pouvons déclencher et contrôler instantanément le mouvement des hypersons jusqu’au THz (Fig. 3(b)). Avec un second laser, (appelé « sonde », Fig. 3(b)), nous analysons ensuite comment ces hypersons, modulent l’intensité de la lumière que l’on peut mesurer avec un détecteur (Fig. 3(b)). Ce sont donc des mesures « tout optique » : on génère les hypersons avec la lumière et on regarde comment ces derniers modulent la lumière. C’est un peu comme quand on lâche un caillou dans l’eau (le caillou est la « pompe ») et, avec nos yeux (« sonde ») nous voyons les ondes ainsi formées qui modulent au final l’intensité de la lumière réfléchie en surface (Fig. 3(a)).

Dans notre projet, la grande différence est que nous atteignons les très hautes fréquences supérieures au GHz ce qui veut dire que nous produisons donc des vaguelettes (ces fameux hypersons) qui sont nanométriques (, en parfait accord, au passage, avec la taille des composants électroniques les plus petits (100 nm est une taille caractéristique d’un microprocesseur).

Nous avons pu montrer dans notre projet FASTFerro que les matériaux ferroélectriques (BiFeO₃) étaient de très bons candidats car non seulement ils permettaient de bien convertir l’énergie lumineuse en énergie mécanique (efficacité de la photogénération d’hypersons par le faisceau bleu [1,2]) mais que ces hypersons ainsi générés modulaient très bien la lumière (modulation de l’intensité du faisceau orange via l’effet Brillouin – Léon Brillouin physicien français, 1889-1969).

Un signal optique typique est présenté sur la Fig. 3(c) où le signal enregistré par le photodétecteur est représenté par la courbe en noir. Juste après l’excitation ultra-rapide induite par le laser femtoseconde « pompe », nous observons une forte variation du signal lié à l’excitation du nuage électronique (Fig. 1(a)). Viennent ensuite des oscillations qui témoignent de la présence de ces hypersons ultra-rapides. Ce signal hypersonic une fois isolé donne la courbe rouge (Fig. 3(c)). Nous pouvons voir en regardant l’échelle des abscisses que ces oscillations acoustiques se produisent avec une période de quelques picosecondes (une seconde divisée par mille milliards rappelez-vous!), c’est-à-dire que nous avons pu moduler l’intensité du faisceau sonde (faisceau orange Fig. 3b) avec ces hypersons de plusieurs dizaines de gigahertz. De façon imagée, si un dispositif de communication était en place, ceci reviendrait à dire que nous pouvons moduler de l’ordre de 40 fois plus vite des signaux que ce qui est actuellement possible avec l’électronique.

Nous avons montré également dans nos travaux que ce nouveau matériau BiFeO₃ était très efficace et pouvait entrer en compétition avec les meilleurs cristaux déjà utilisés dans le domaine de l’acousto-optique comme le niobate de lithium (LiNbO₃) ou le tantalate de lithium (LiTaO₃) [3,4]. Tout ce travail reste à ce stade des recherches fondamentales car il y a encore de nombreuses étapes avant les applications. Pour évaluer plus en aval ces possibles applications, il faudra pouvoir faire croitre de plus gros cristaux de BiFeO₃ et travailler pour la miniaturisation des dispositifs optiques et acoustiques. Pour ce dernier point le choses sont en route avec nos partenaires puisque nous travaillons sur des couches minces du matériau BiFeO₃ (épaisseur d’une dizaine de nanomètres) et continuons à évaluer ses propriétés photoélastiques très prometteuses dans ce monde de l’infiniment rapide et de l’infiniment petit.

Note : cet article s’inscrit dans le cadre de la vulgarisation scientifique des axes de recherche du projet régional FAST-Ferro-2022-2026 du dispositif Trajectoires Nationales financé par la Région Pays de la Loire et du projet ANR-THz-MUFINS attenant (ANR-21-CE42-0030). Ces projets sont pilotés par le laboratoire IMMM-CNRS-Le Mans Université en collaboration avec nos partenaires des laboratoires SPMS-CNRS-CentraleSupelec Université Paris-Saclay, LAF-CNRS-Thalès-Université Paris-Saclay, LPMC-Université de Picardie Jules Verne et LPS-CNRS-Université Paris-Saclay. Remerciements aux collègues de la Thématique de recherche PUMMA de IMMM (Physique Ultra-rapide et spectroscopie des Matériaux MAgnétiques, ferroïques et topologiques) pour les échanges scientifiques (V. Juvé, M. Weber, G. Vaudel, B. Arnaud, L. Soumah, M. Deb).

Références des publications du projet FAST-Ferro

[1] Temporal and spatial tracking of ultrafast light-induced strain and polarization modulation in a ferroelectric thin film, R. Gu, V. Juvé, H. Bouyanfif, G. Vaudel, A. Poirier, M.C. Weber, Z. Abdul Hadi, B. Dkhil, C. Laulhé, P. Hollander, C. Paillard, D. Sando, S. Fusil, V. Garcia and P. Ruello, Science Advances 9, eadi116 (2023) DOI: 10.1126/sciadv.adi1160

[2] Superorders and terahertz acoustic modes in multiferroic BiFeO3/LaFeO3 superlattices, R Gu, R Xu, Francesco Delodovici, B Carcan, M Khiari, G Vaudel, V Juvé, MC Weber, A Poirier, P Nandi, B Xu, VE Gusev, L Bellaiche, C Laulhé, N Jaouen, P Manuel, Brahim Dkhil, Charles Paillard, L Yedra, H Bouyanfif, P. Ruello Applied Physics Review 11, 041415 (2024) (Feature Article selected by the Editors) https://doi.org/10.1063/5.0203...

[3] In situ determination of the optical axis orientation in a single grain using time-domain Brillouin microscopy, M Lejman, G Vaudel, V Juvé, MC Weber, IC Infante, B Dkhil, V Gusev, P Ruello, Applied Physics Letters 126, 012201 (2025) (Feature Article selected by the Editors) https://doi.org/10.1063/5.0245...

[4] On the importance of the optical anisotropy in the detection of coherent acoustic phonons in a time-domain Brillouin scattering experiment (Editor’s Pick) (Special Collection: Advances in Inelastic Light Scattering Spectroscopies), M. Lejman, G. Vaudel, V. Juvé, B. Dkhil, V. Gusev, C. Paillard, P. Ruello, Applied Physics Letters, 128, 110501 (2026). https://doi.org/10.1063/5.0299...