Reflets de la Physique n°61 mar/avr/mai 2019
Reflets de la Physique n°61 mar/avr/mai 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°61 de mar/avr/mai 2019

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 56

  • Taille du fichier PDF : 3,8 Mo

  • Dans ce numéro : dossier sur l'amplification d'impulsions laser par dérive de fréquence.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Première femme à avoir accédé au rang de professeur titulaire au Massachussetts Institute of Technology (MIT), Mildred Spiewak Dresselhaus, ou simplement Millie pour la plupart de ses collègues, est l’exemple d’un engagement passionnel et infatigable pour la science en général, la physique en particulier, et pour la reconnaissance de la place des femmes en science. Sa disparition le 20 février 2017 à l’âge de 86 ans, en pleine activité scientifique, a très profondément marqué les communautés de chercheurs engagés dans les nanosciences. Ses contributions à la compréhension du couplage entre propriétés électroniques, vibrationnelles et structurales, dans les différentes formes de carbone sont au centre du développement des nanomatériaux carbonés et de leurs applications. 36 Reflets de la Physique n°61 Une femme de science exceptionnelle  : Mildred S. Dresselhaus Alfonso San-Miguel (1) (alfonso.san-miguel-fuster@univ-lyon1.fr) et Jean-Louis Sauvajol (2) (1) Institut Lumière-Matière (UMR5306), Université Claude Bernard Lyon 1, 69622 Villeurbanne (2) Laboratoire Charles Coulomb(L2C), Université de Montpellier, CNRS, 34095 Montpellier Des débuts difficiles Le moins qu’on puisse dire est que pour Millie, l’enfant née en 1930 à Manhattan, rien ne laissait présager une brillante carrière scientifique. La scolarité de Mildred Spiewak, fille d’une famille d’immigrés juifs polonais arrivée en Amérique lors de la grande dépression, démarre dans la pauvreté, dans un quartier défavorisé du Bronx. C’est en partie grâce à ses talents de violoniste, qu’à l’âge de seize ans elle obtient une bourse au mérite qui lui permettra d’intégrer Hunter College à Manhattan en 1947. Elle qualifie cet évènement comme le plus important de sa vie, celui qui lui a permis de quitter « le désordre sordide dans lequel j’avais grandi ». Il n’est pas surprenant que Millie ait toujours souligné combien il était important de donner accès à une bonne éducation aux jeunes de toutes conditions. La vie de Mildred Spiewak prend donc un vrai tournant dès son arrivée à Hunter College. Dans cette institution elle suit les cours de physique moderne de Rosalyn Yalow, physicienne nucléaire et future prix Nobel de médecine (en 1977), qui l’encourage à poursuivre des études de physique. Ses lettres de recommandation lui permettent de passer une année à l’Université de Cambridge, UK, en 1951 et une autre à Harvard. Rosalyn Yalow conseilla et encouragea Millie pendant plusieurs années, un exemple que cette dernière poursuivra durant toute sa carrière à l’égard de nombreuses jeunes physiciennes. En 1953, à l’âge de 22 ans, Millie rejoint l’Université de Chicago où elle suivra le cours de physique quantique d’Enrico Fermi, une rencontre fondamentale, dont elle dira qu’elle l’amena à penser comme une physicienne. En 1958, Millie défend dans cette même université sa thèse sur la supraconductivité sous forts champs magnétiques, travail qu’elle a dû mener avec une grande autonomie. En effet, son directeur ne prit connaissance de ses travaux que deux semaines avant sa soutenance car il considérait que, dans les sciences, il n’y avait pas de place pour les femmes. De fait, elle put mener ses travaux de recherche grâce à un excédent d’équipements scientifiques laissés à l’abandon après la Seconde Guerre mondiale et qu’elle rénova pratiquement sans cout additionnel. Matériaux à base de carbone et spectroscopie Raman Millie et son mari, Gene Dresselhaus, physicien théoricien qu’elle rencontra pendant sa thèse, rejoignent en 1960 le Massachusetts Institute of Technology (MIT) à Boston, un des seuls établissements universitaires américains à avoir une politique d’embauche de couples scientifiques. L’intérêt de Millie pour les systèmes carbonés démarre très tôt après son arrivée au Lincoln Laboratory du MIT. En effet, le responsable de son département pense qu’avec la théorie BCS (Bardeen-Cooper- Schrieffer) de la supraconductivité ce
domaine de la physique est désormais clos, et lui demande d’explorer d’autres thématiques. Elle choisit de s’orienter dans l’étude des semi-métaux et parmi eux le graphite, matériau considéré à l’époque comme trop complexe en raison de la présence de défauts d’empilement, rendant difficile de disposer de très bons cristaux. De ses propres mots  : « contrairement à la physique des semi-conducteurs, la recherche sur le carbone n’était pas très compétitive et obtenir des résultats un jour plus tard n’était pas critique ; c’était donc un domaine mieux adapté pour une chercheuse avec une jeune famille. » En effet, Millie et Gene eurent quatre enfants entre 1959 et 1964, ce qui n’empêcha pas Millie de publier une quinzaine d’articles daurant la même période. Elle identifia ainsi proprement les états des électrons et des trous dans la zone de Brillouin du graphite en utilisant des mesures magnéto-optiques. Millie compte parmi les pionniers de l’utilisation des lasers dans ce type d’expériences. Parmi les techniques expérimentales qu’elle a mises en œuvre durant toute sa carrière, les spectroscopies utilisant des lasers comme sources d’excitation apparaissent comme essentielles à toutes ses recherches. Ainsi, dès 1970, Millie applique la spectroscopie Raman à l’étude du graphite et de ses composés d’intercalation. Ses travaux pionniers sur l’intercalation des métaux alcalins entre les plans de graphène qui constituent le graphite, ont ouvert la voie, dans un premier temps, au développement a des piles alcalines et, plus tard, à celui de la physique du graphène puis, au-delà, à celui des systèmes bidimensionnels (2D). Millie comprit que la spectroscopie Raman, utilisée alors essentiellement pour caractériser les propriétés vibrationnelles des matériaux, était une technique bien plus puissante. En effet, les processus de résonance liés au couplage photonélectron (autrement dit quand l’énergie du photon est égale ou proche de l’énergie d’une transition électronique), permettent de sonder la structure électronique et d’explorer également les phénomènes de transfert de charge (voir l’encadré, p.38). Parmi ses contributions les plus significatives, il faut souligner la première mesure du spectre Raman d’un nanotube de carbone unique (voir l’encadré), qui a motivé différents groupes à étudier les propriétés intrinsèques des nanotubes de carbone individuels. Dans les nanotubes, ce type d’étude n’a été possible que par le caractère résonnant spécifique de l’interaction photon-exciton (paire électron-trou liée), impliquant des états électroniques à forte densité d’états présents dans les nanotubes et conséquence de leur caractère unidimensionnel. Millie développa et utilisa les concepts de Raman résonnant en étudiant des fullerènes, des nanotubes de carbone, du graphène et d’autres systèmes 2D. Au-delà de leur importance dans l’étude des systèmes carbonés, ses travaux ont grandement contribué au développement des spectroscopies optiques moléculaires. Nanostructuration et thermoélectricité Histoire des sciences (a) Millie Dresselhaus en train d’aligner une expérience au MIT Lincoln Labs. (Photo  : Georgia Litwack). (b) Millie Dresselhaus, en 2006, tient dans ses mains une maquette d’un nanotube de carbone. MIT b Dans les années 1990, en parallèle à ses études sur les nanocarbones, Millie Dresselhaus démarre une nouvelle activité de recherche sur les matériaux thermoélectriques, domaine où elle laissera aussi une empreinte durable [4]. La thermoélectricité est basée sur l’effet Seebeck, le phénomène permettant de générer une différence de potentiel à partir d’une différence de température dans un matériau. Elle est caractérisée par le coefficient Seebeck. À l’origine de la thermoélectricité, on trouve les différences entre les mécanismes de transport thermique et électrique dans les matériaux conducteurs ou semiconducteurs ; le transport thermique est associé principalement aux phonons, les propriétés électriques impliquent les porteurs de charge, électrons ou trous. Millie s’est intéressée à ce sujet après avoir été approchée en 1990 à la fois par la marine américaine et par la marine française qui s’attachaient à l’utilisation de la thermoélectricité pour développer des sous-marins plus silencieux en réduisant le bruit des systèmes de refroidissement. Les travaux de Millie ont permis de montrer le rôle de la nanostructuration et l’intérêt des systèmes de basse dimensionnalité dans l’amélioration des performances des matériaux thermoélectriques. En effet, la nanostructuration permet d’introduire des barrières de diffusion pour le transport électronique ou thermique à travers les interfaces entre nanoparticules, ou entre des nanoparticules Reflets de la Physique n°61 37



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