Section des unités de recherche - Laboratoire de … · Une autre caractéristique de nos activités est la forte implication dans des projets situés aux interfaces. ... le cadre

Section des unités de recherche

Vague E : campagne d’évaluation 2013 – 2014

janvier 2013

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Dossier d'évaluation d'une unité de recherche

Vague E : campagne d’évaluation 2013-2014

N.-B. : On renseignera ce dossier d’évaluation en s’appuyant sur l’ « Aide à la rédaction du dossier d’évaluation

d'une unité de recherche ».

Nom de l’unité : Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules

Acronyme : PhLAM

Nom du directeur pour le contrat en cours : Georges Wlodarczak

Nom du directeur pour le contrat à venir : Marc Douay

Type de demande :

Renouvellement à l’identique x Restructuration □ Création ex nihilo □ Choix de l’évaluation interdisciplinaire de l’unité de recherche :

Oui x Non □

Dossier d'évaluation

1. Présentation de l’unité

Le laboratoire PhLAM (UMR 8523 CNRS-Lille 1) existe dans sa configuration actuelle depuis le 01/01/1998,

suite à la fusion de 2 unités (toutes deux UMR CNRS-Lille 1) ayant des programmes scientifiques voisins: le

Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne (LSH) et le Laboratoire de Dynamique Moléculaire et Photonique

(LDMP). Depuis cette fusion le périmètre du laboratoire est resté stable. L'activité scientifique du laboratoire se

situe dans le domaine de l'interaction matière-rayonnement. La matière considérée est soit sous forme diluée

(gaz atomiques ou moléculaires, agrégats) ou condensée (matériaux solides pour l'optique, fibres optiques micro

ou nanostructurées, cristaux liquides, glaces, suies, cellules ou organismes vivants...). Les sources de

rayonnement utilisées, pulsées ou continues, dont dispose le laboratoire se situent dans des gammes spectrales



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diverses allant de l' UV aux microondes en passant par le visible, l' infrarouge, l'infrarouge lointain et le domaine

millimétrique.

Au niveau local, le PhLAM a été jusque fin 2009 coordonnateur de la fédération de recherches CERLA

(Centre d'Etudes et de Recherches sur les Lasers et leurs Applications), labellisée FR CNRS. Cette fédération n'a

pas été reconduite dans le cadre de la contractualisation actuelle suite à une nouvelle structuration de Lille 1

en pôles de recherches (appelés instituts). Compte tenu du caractère fortement interdisciplinaire des

recherches conduites au laboratoire, nous avons œuvré pour l'existence d'un Institut de Physique, qui regroupe

actuellement outre le PhLAM un autre laboratoire de Lille 1, spécialisé dans la physique des matériaux (UdSMM).

Depuis 2012, suite à la mise en place d'une nouvelle équipe à la direction de l'université, cette structure,

coordonnée par M. Lefranc, joue un rôle plus important au sein de Lille 1. De nombreux physiciens se trouvent

aussi dans d'autres laboratoires de Lille 1 mais se trouvent répartis dans d'autres pôles (STIC, Matériaux,

Environnement). La vocation de cet institut de physique a aussi pour but l'animation au niveau local dans le

secteur de la physique, via l'organisation de journées sur des thématiques transversales.

La localisation historique du laboratoire est le bâtiment P5 de l'Université Lille 1, qui abrite l'UFR de

Physique, ainsi que ses extensions P5 bis et CERLA. Plus récemment, au printemps 2007, nous avons emménagé

dans un bâtiment CNRS (qui abrite l'USR 3380 IRCICA, Institut de recherche en composants et systèmes pour

l’information et la communication avancée) situé à proximité du campus universitaire, sur le site de la Haute-

Borne, afin d'y installer une grande partie de nos équipements de photonique: tour de fibrage, procédés MCVD et

OVD, fours, activités de chimie des matériaux, qui constituent la centrale Fibertech. Les crédits

d'infrastructures de ce bâtiment, qui abrite aussi deux autres plateformes dans le domaine des STIC (réalité

virtuelle et objets mobiles communiquants), sont gérés par l' USR IRCICA (le statut d'USR date de 2010,

auparavant l'IRCICA était une fédération de recherches CNRS). Le laboratoire est donc associé au

fonctionnement de l'IRCICA, qui a par ailleurs obtenu en 2012 le statut d'hôtel à projets. Cette reconnaissance

permet de financer de manière pérenne des projets interdisciplinaires émergents des équipes se côtoyant dans

cette structure. La période 2008-2013 constitue donc une période de référence pour la centrale Fibertech,

durant laquelle elle a fonctionné dans ses nouveaux locaux avec de nouveaux équipements plus compétitifs que

par le passé. Par ailleurs, le groupe "dynamique des réseaux biologiques" a été de 2008 à 2011 équipe-projet à

l'Institut de Recherche Interdisciplinaire (IRI), dont le bâtiment est contigu à celu i de l'IRCICA, et y a occupé à

ce titre des bureaux.

Politique scientifique

Structuration et activités

Le laboratoire est structuré en 5 groupes ou équipes de recherche: Dynamique non linéaire des systèmes

optiques et biologiques, Photonique, Physique des atomes refroidis par LASER, Physico-chimie moléculaire

théorique et Spectroscopie et applications. Ces équipes sont fortement impliquées dans des collaborations

externes, au niveau national ou international, mais présentent aussi des projets de recherche communs.

Les activités du laboratoire relèvent principalement de la recherche fondamentale avec néanmoins un

souci constant de développer des applications si la communauté scientifique ou le milieu industriel peuvent en

tirer des bénéfices. Cet équilibre entre recherche fondamentale et recherche appliquée a toujours été une

caractéristique du laboratoire par le passé et est toujours d'actualité, avec notamment un développement des

liens avec le milieu industriel (en mettant l'accent sur les entreprises régionales). Ces liens avec l'entreprise

sont en croissance depuis plusieurs années, notamment grâce au rôle moteur joué par la visibilité de notre

centrale de technologies de fibres. La finalisation en 2011 du projet de laboratoire commun avec Prysmian (ex

Draka), leader mondial de la production de fibres optiques, est un exemple de la dynamique du développement

de ces relations avec le monde de l'entreprise. Un projet similaire est en cours de discussion avec le CEA-

Bordeaux. Cette évolution nous a conduit à demander et obtenir de la part de Lille 1 en 2013 un poste

d'ingénieur chargé de la valorisation, pour renforcer et pérenniser notre activité en lien avec les entreprises.

Une autre caractéristique de nos activités est la forte implication dans des projets situés aux interfaces.



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Les liens avec la communauté astrophysique sont très anciens et datent du début de la mise en place par

le CNRS de la communauté PCMI (Physico-chimie du milieu interstellaire). Ils ont été renforcés ces dernières

années avec l'amélioration des performances des radiotélescopes existants et la mise en service de nouveaux

instruments dans le domaine submillimétrique (notamment l'instrument HIFI à bord du satellite Herschel qui a

fonctionné de 2009 à 2013 et la mise en place récente de l'interféromètre ALMA au Chili. Ces collaborations se

sont concrétisées par des projets européens et des ANR, ainsi que de nombreuses publications communes dans

des revues majeures en astrophysique telles que Astrophys. J ou Astron. Astrophys.

Les relations avec la communauté des sciences atmosphériques (atmosphère terrestre principalement et

atmosphères planétaires) sont de plus en plus nombreuses. En dehors des divers projets financés (ANR, Europe,

DGAC,..) c'est la labellisation d'un projet régional dans le cadre du PIA en 2012 qui est à souligner. En effet deux

équipes du laboratoire (Spectroscopie et Applications, Physico-chimie moléculaire théorique) sont fortement

impliquées dans le LABEX CaPPA (Chemical and Physical Properties of the Atmosphere, 2012-2019), qui est

centré sur la physico-chimie des aérosols. Il faut aussi noter l'implication du laboratoire dans le GDRI HIRESMIR

(High resolution microwave, infrared and Raman molecular spectroscopy for atmospheric, planetological and

astrophysical applications), qui fait suite depuis 2012 au Laboratoire Européen Associé HIRES (2002-2009), sur

des thématiques relevant de cette interface.

En 2005 le laboratoire a amorcé une évolution vers les problèmes situés à l'interface physique-biologie,

tout d'abord par une approche de modélisation utilisant les compétences de l'équipe de dynamique non linéaire.

Des résultats originaux ont été rapidement obtenus sur les rythmes circadiens, ce qui a favorisé la mobilité de

groupes d'expérimentateurs sur d'autres thématiques telles que le stress cellulaire. Cette démarche a permis de

situer cette interface au cœur de nombreux projets récents du laboratoire, que ce soit dans le cadre du LABEX

CEMPI (Centre Européen pour les Mathématiques, la Physique et leurs Interactions) ou bien dans le cadre du nos

projets en cours de discussion dans le cadre du futur contrat de projet Etat-Région. Une évolution vers des

sujets appliqués ou de type sociétal est par ailleurs en cours, via la labellisation récente de deux projets dans le

cadre l'AAP Plan Cancer ou la recherche de liens entre le diabète et les rythmes circadiens via une thèse en

codirection avec B. Staels, EGID (Institut Européen de Génomique du Diabète, Lille) et Institut Pasteur (Lille).

Le dernier exemple de notre implication aux interfaces concerne nos relations avec les mathématiciens

qui ont démarré de manière informelle autour de la construction d'enseignements du master Calcul scientifique

récemment mis en place à l'université. Une opportunité a été saisie de présenter alors un projet autour des

mathématiques, de la physique et de leurs interactions dans le cadre de l'appel d'offres PIA qui a été labellisé

sous la forme du LABEX CEMPI (2012-1019), et qui implique trois équipes du laboratoire: Dynamique non linéaire

des systèmes optiques et biologiques, Photonique et Physique des atomes refroidis par Laser. Ce succès a

d'ailleurs permis de faire émerger un nouveau pôle d'attractivité au niveau de l'université.

Objectifs scientifiques

Les objectifs scientifiques définis au début du contrat en cours étaient les suivants:

*poursuivre le développement de notre centrale technologique de production de fibres et préformes, que

cela soit en terme d'équipement ou en terme d'environnement humain (personnel technique dédié)

* renforcer nos activités à l'interface physique-biologie, activités initiées lors du contrat précédent

* développer la valorisation et les relations industrielles

* développer des projets sur les grands instruments

* maintenir un niveau d'excellence pour l'ensemble des thématiques de recherche du laboratoire.

Le premier objectif a été réalisé grâce à la création de postes d'ingénieurs de recherche (l'un par Lille 1

l'autre par le CNRS) d'une part et au financement d'équipements nouveaux notamment dans le cadre du contrat

de projet Etat-Région 2007-2013. Le projet "Campus Intelligence Ambiante" dans lequel nous étions partie

prenante a procuré environ 7 M€ au laboratoire, dont une partie importante a été dirigée vers la centrale de

Photonique. Ce projet a permis le recrutement de plusieurs personnels en CDD (post-doctorants, personnels

techniques), ce qui a conduit au développement de plusieurs projets innovants. La centrale de photonique a



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maintenant une visibilité nationale et internationale et constitue une plateforme assez originale dans le monde

académique au niveau européen. Cette visibilité accrue a initié de nouveaux liens avec les entreprises.

L'obtention d'une labellisation dans le cadre du PIA en 2012 du projet Equipex FLUX va permettre la poursui te du

développement de cette centrale. Un point crucial reste le coût de fonctionnement de ces activités, qui par le

passé a été largement financé par le contrat de projet Etat-Région CIA mais qui l'est actuellement grâce à

l'implication des membres de l'équipe Photonique dans les projets ANR et les projets industriels.

Le développement de l'activité théorique et de modélisation à l'interface physique-biologie initié en 2005

par M. Lefranc (CR) a rapidement produit des résultats marquants, notamment dans le domaine de l'étude des

rythmes circadiens. Le groupe s'est étoffé via le recrutement d'un MCF et d'un CR2, et la promotion de son

responsable au niveau PR. La mise en place en parallèle d'un master de Physique biologique au niveau de Lille 1

a aussi contribué au rayonnement de cette activité. Au cours de ce contrat une activité expérimentale a

démarré dans le domaine du stress cellulaire, inspirée par les relations que nous entretenions avec l'entreprise

Osyris et qui a produit des premiers résultats très encourageants et remarqués. Le recrutement d'un nouvel MCF

en 2013 viendra renforcer ces activités expérimentales. Le groupe est par ailleurs en train de se structurer pour

permettre des interactions entre les activités théoriques et expérimentales. Un important contrat industriel

signé début 2013 témoigne aussi de la visibilité de nos compétences dans le domaine de l'interaction lumière -

vivant.

Les relations industrielles ont été effectivement développées comme en témoignent les contrats obtenus,

l'implication de plusieurs partenaires industriels dans le projet FLUX, la signature d'une convention de

laboratoire commun avec Prysmian (ex-Draka) en 2011, la nomination d'un correspondant valorisation au

laboratoire et le recrutement en 2013 d'un ingénieur valorisation pour mener à bien les projets en collaboration

avec les entreprises et pérenniser ce type d'activité au niveau du PhLAM.

L'implication au niveau des grands instruments (SOLEIL, UVSOR...) s'est manifesté suivant deux directions.

La première voie a consisté dans le développement des applications et des expériences autour des lignes de

lumière disponibles sur ces grands instruments (par exemple la ligne AILES sur la source SOLEIL) afin d'y réaliser

des expériences complémentaires de celles disponibles au laboratoire au sein de l'équipe Spectroscopie et

Applications. La seconde a consisté à développer des projets utilisant l'interaction non linéaire lumière -électrons

au sein des sources synchrotrons par exemple pour développer de nouvelles potentialités pour ces sources. C'est

ce qui a été réalisé par l'équipe de Dynamique non linéaire pour générer du rayonnement synchrotron cohérent

sur SOLEIL ou au Japon sur l'installation UVSOR.

Le maintien d'un niveau d'excellence dans les diverses thématiques du laboratoire a toujours été un souci

constant. Un fléchage pertinent des profils de postes et le recrutement de candidats de bon niveau font partie

de cette stratégie. Le recrutement de 3 CR CNRS entre 2009 et 2013 témoigne de notre capacité à attirer des

jeunes chercheurs de qualité. Malgré une pression plus forte au niveau des projets déposés auprès de l'ANR, nous

avons maintenu un taux de succès tout à fait correct (7 projets impliquant des équipes du PhLAM ont été

sélectionnés lors de l'appel d'offres 2013). Un autre indicateur peut être considéré: les publications du

laboratoire sont plus nombreuses à être soumises et acceptées à des revues de haut facteur d'impact que par le

passé.

Actions de diffusion et valorisation de la science

Le laboratoire PhLAM s’est attaché depuis de nombreuses années à interagir fortement avec son

environnement social et culturel, en tissant des liens avec d’autres acteurs de la société, en diffusant les

connaissances scientifiques auprès du grand public, en participant à la formation continue des enseignants du

secondaire et en accueillant chaque année une dizaine de collégiens (classe de troisième) ou de lycéens (classe

de seconde) pour des stages de découverte de 3 à 5 jours au sein du laboratoire.

Le laboratoire entretient bien entendu des liens étroits avec les acteurs sociaux de la science, et en

particulier les sociétés savantes. Plusieurs membres du laboratoire participent ainsi activement au

fonctionnement de la Société Française de Physique (membres élus du conseil d’admin istration, au bureau de la

division Physique Atomique, Moléculaire et Optique, membres des commissions enseignements et culture

scientifique). Le président de la section locale est également un membre du laboratoire (D. Hennequin).



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Dans le cadre de ses actions de diffusion de la science, le laboratoire a également engagé des

partenariats avec de nombreux acteurs extérieurs au monde de la recherche. Parmi les partenaires du

laboratoire, on trouve ainsi des centres et associations de culture scientifique (par ex., le Forum des Sciences,

Physifolies, Universcience, le Palais de la Découverte, l’association « Mas des Sciences » à Carpentras), des

acteurs culturels régionaux (par ex. Lille 3000), des entreprises (par ex. EADS) et des médias (par ex. France

Culture, Canalsat).

Les actions de diffusion de la culture scientifique sont nombreuses et peuvent être considérées comme un

point fort du laboratoire. Parmi les opérations qui se sont déroulées sur la période 2008-2013 on peut mettre en

avant:

Les actions organisées par le laboratoire, le plus souvent en partenariat, comme par exemple les

expositions-découvertes « Astrophyz (2009, dans le cadre de l'année mondiale de l'astronomie)» et « Laser

Week » (2010, dans le cadre du cinquantenaire de la découverte du LASER). Ces expositions organisées au centre

ville de Lille sur une durée de 4 jours ont reçu chacune plus de 8 000 visiteurs de tous horizons (classes, grand

public).

La prise en charge par le laboratoire de l’organisation d’un module ou un stand dans des évènements

organisés par des tiers. On peut citer le stand « pièges magnéto-optiques » de l'exposition « Pris au piège », au

Palais de la Découverte, dans le cadre de l'opération « Un chercheur, une manip », ou encore l’organisation de

stands lors du salon des métiers à Lille. Le laboratoire a aussi participé à des évènements organisés par des

tiers, par exemple via l’animation d’un stand lors des « 50 ans du laser dans la Ville Lumière », à Paris et

Palaiseau, en juin 2010, ou encore lors de l’évènement culturel Lille 3000, en 2013.

Les initiatives des chercheurs du laboratoire, telles que les interventions dans les écoles, collèges et

lycées, les conférences grand public et les réalisations multimédias. Le laboratoire a été à l'origine de

l'opération Physique itinérante, lancée par J. Zemmouri et des collègues en 1998 et soutenue par l'Académie de

Lille depuis 2001 au niveau des moyens. Cette qui a permis de toucher un très grand nombre d'établissements

scolaires (178 à ce jour) se poursuit, basée sur la présentation d'expériences spectaculaires autour d’objets

scientifiques faisant partie du quotidien des élèves. Les membres du laboratoire ont aussi animé les concours

mettant aux prises des lycéens et des collégiens: Magiphy, concours régional intégré depuis cette année à

l'opération "Faites de la Science", Olympiades de Physique (suivi de groupes et participation aux jury inter -

régionaux). L'implication croissante dans la formation continue des maîtres dans le cadre du Plan Académique de

Formation est aussi à signaler (3 formations mises en place ces dernières années, chacune pour une durée de 3

ans), tout comme le soutien très fort apporté à l'initiative portée par Lille 1 concernant la création d'une Maison

pour la Science et la Technologie, au service des professeurs en région Nord-Pas de Calais. On peut citer d'autre

part par exemple la série de films pédagogiques réalisée par D. Hennequin, dont un épisode a reçu le prix du

meilleur court-métrage au festival du Film Pédagogique, en 2012.

Dans le cadre de la création du Learning Center par l'Université le laboratoire a été impliqué dans la mise

en place de l'Expérimentarium ( ouverture fin 2013), grâce à l'investissement important de J. Cosleou, qui en

assure la direction scientifique.

Ce lieu a été conçu comme une vitrine de la recherche et de l'innovation développée par les chercheurs

de Lille 1 et leurs partenaires, actuels et futurs, notamment les pôles de compétitivité et d'excellence de la

Région. L'espace d'exposition de la recherche en cours, mise à la portée de tous, sera destiné à accueillir le

public sur le campus, en premier lieu les lycéens et les entreprises. L'objectif pour les lycéens, outre le fait de

présenter la recherche, sera aussi de leur faire découvrir les métiers scientifiques dans les domaines de la

recherche et de l'industrie. Un temps de la visite sera systématiquement consacré à leur présenter les

différents métiers et débouchés, clé de voûte pour une transition réussie et motivée entre le lycée et

l'université. Les entreprises seront aussi conviées, celles qui interagissent déjà avec les équipes de recherche et

qui seront elles aussi mises en avant, mais aussi celles à la recherche d'un premier contact avec les chercheurs.

L'Expérimentarium a aussi pour vocation à aller vers le public en région en présentant les réalisations et à

mettre en ligne les ressources qui y auront été développées, mais il n'est pas pensé exclusivement comme une

ouverture sur l'extérieur : il permettra aussi aux personnels et étudiants de Lille 1 de mieux connaître les

activités scientifiques en cours au sein de leur établissement. Parmi le premier ensemble d'expériences retenues

(au nombre de 7) figure une contribution du PhLAM dans le domaine de la photonique, pilotée par L. Bigot sur le



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sujet des fibres optiques et du multiplexage spatial et spectral (utilisation de guides de faisceaux laser de

couleurs différentes pour transmettre des informations codées).

Une dernière activité originale est à signaler: la conception et la réalisation de la série web pédagogique

Kezako, à vocation pédagogique, et organisation d’un MOOC (Massive Open Online Course) à la rentrée 2013 (D.

Hennequin)

Profil d’activités

Indiquer dans le tableau ci-dessous la répartition globale en pourcentages des activités de l’unité de recherche ou de l’équipe.

Unité/Équipe Recherche

académique Interactions

avec l'environnement Appui

à la recherche Formation

par la recherche

Ensemble 65 10 10 15

Dynamique non linéaire des

systèmes optiques et biologiques 60 10 15 15

Photonique 60 15 15 10

Physique des atomes refroidis

par laser 60 25 15

Physico-chimie Moléculaire

théorique 68 5 10 17

Spectroscopie et applications 80 7 7 6

Organisation et vie de l’unité

Effectifs

Au 30 Juin 2013 le PhLAM compte 59 enseignants-chercheurs (dont 6 professeurs émérites), 13 chercheurs

CNRS, 19 personnels techniques et administratifs (13 CNRS et 6 Lille 1). Les enseignants-chercheurs sont donc

très majoritaires par rapports aux chercheurs CNRS. Leur implication au niveau de l'UFR de Physique est très

importante ainsi que leurs responsabilités au niveau de l'enseignement. Une politique active de délégations

auprès du CNRS (6 à 8 délégations à mi-temps ont été obtenues de l'INP chaque année) a permis aux enseignants-

chercheurs concernés de consacrer à la recherche un temps suffisant pour maintenir une production scientifique

de qualité.

Les effectifs du laboratoire ont légèrement augmenté au cours de la période 2008-2013: nous sommes

passés de 63 à 72 chercheurs et enseignants-chercheurs (en y incluant les professeurs émérites), alors que

l'effectif des personnels techniques et administratifs est resté stable.

Au niveau des chercheurs CNRS, 3 recrutements de CR2, deux en section 04 et un au titre de la CID

"Modélisation des systèmes biologiques" (41 puis 53) ont été réalisés, compensant le départ à la retraite de deux

DR très actifs au sein du laboratoire (J. Demaison et J.-P. Flament). Il faut signaler le recrutement du CR par la

CID 43, qui est un signe de la reconnaissance de nos activités à l'interface physique-biologie au sein de la

communauté nationale et internationale. Au niveau de la mobilité des chercheurs, un départ de CR2 a été

compensé par une arrivée d'une CR1. Nous avons aussi bénéficié sur la période 2008-13 d'une promotion DR2

parmi les CR du laboratoire.

Au niveau des enseignants-chercheurs, la période 2008-2013 a correspondu à un très fort mouvement de

départs de cadres du laboratoire puisque 7 d'entre eux ont fait valoir leur droit à la retraite. La transition a

néanmoins été effectuée de manière efficace et harmonieuse grâce au soutien de l'université qui a maintenu

l'ensemble des postes correspondants au sein du laboratoire et aussi grâce à la présence au sein du PhLAM d'un



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vivier important de jeunes MCF dynamiques et talentueux. La majorité des postes PR ainsi mis au mouvement a

donc permis la promotion de ces MCF, à l'exception d'un recrutement externe et d'une mobilité d'un CR1. Les

cascades résultant de ces promotions internes ont permis le recrutement de maîtres de conférences qui sont

venus renforcer les différentes thématiques du PhLAM, suivant un schéma de recrutement pluriannuel. Il faut

noter que sur l'ensemble des recrutements MCF et CR, la majorité des entrants au laboratoire a effectué une

thèse en dehors du PhLAM. Nous avons aussi accueilli au 01/01/2010 deux Maîtres de Conférences en provenance

d'un autre laboratoire de Lille 1 (le LASIR), qui ont rejoint le groupe Photonique et sont venus renforcer les

activités de chimie des matériaux, qui ont pris une place plus importante compte tenu de l'évolution des

activités dans le domaine de la photonique. Leur intégration a été facilitée par leur implication dans un passé

récent à des projets collaboratifs avec le PhLAM. Deux maîtres de conférences du PhLAM ont obtenu des

promotions dans des établissements extérieurs (Telecom Sud-Paris, Université d'Erlangen). Il faut aussi

mentionner un fort accroissement du nombre de professeurs émérites, qui est passé de 1 en 2008 à 6 en juin

2012.

En ce qui concerne les personnels techniques et administratifs, les changements ont été importants au

niveau des compétences présentes au PhLAM. Nous avons obtenu la création d'un poste d'IR CNRS en 2009 pour

prendre la responsabilité de la ligne OVD sur la plateforme de fabrication de fibres et préformes du laboratoire

et d'un poste d'IGR Lille 1 en 2010 pour la prise en charge et le développement des techniques sol -gel et basse

température en vue d'élaborer de nouveaux matériaux pour l'optique. Ces deux postes ont permis d'étoffer

l'équipe technique en charge de la plateforme de fibres optiques du laboratoire. Plus récemment un poste d'IGE

a été obtenu au niveau de Lille 1 (il s'agit d'une reconfiguration d'un poste administratif de l'université suite à un

départ à la retraite) pour développer les actions de valorisation au niveau du laboratoire et prendre en charge le

suivi de certains de nos contrats industriels. La personne recrutée prendra ses fonctions fin 2013. Parmi les

autres personnels techniques des modifications de profils ont eu lieu suite à des départs à la retraite ou suite à

des mobilités lors des campagnes NOEMI: remplacement d'un IR électronicien par un IR opticien pour prendre en

charge la chaîne femtoseconde du laboratoire, profilage d'un poste d'AI Instrumentation (suite à un départ à la

retraite) en AI Verrier qui a permis une promotion interne.

Au niveau administratif nous avons obtenu le rehaussement d'un poste de gestionnaire de niveau AI en

poste d'IE assurant la responsabilité administrative et financière du PhLAM depuis décembre 2009. La situation

reste néanmoins tendue car nous n'avons que 3 gestionnaires (tous les trois personnels CNRS) pour assurer

l'ensemble des taches administratives et financières, alors que le budget de laboratoire est en hausse et la

complexité des montages de dossiers sans cesse croissante. Nous avons deux personnels de l'UFR de Physique qui

viennent en aide à notre équipe de gestionnaires à temps partiel, ce qui a nécessité une action de formation de

la part de nos personnels permanents. Cette solution permet un traitement plus fluide des opérations au

quotidien mais la taille de notre équipe de gestionnaires reste sous-critique compte tenu de l'effectif du

laboratoire, des montants des budgets gérés et de la diversité et de la complexité de certaines opérations.

Globalement la situation s'est néanmoins améliorée sur le plan des personnels administratifs et

techniques, grâce aux créations ou rehaussements de postes de la part des tutelles et aussi grâce à la

récupération presque totale des postes de départ à la retraite ou en mutation. Cela a permis une redéfinition

des profils de poste en vue de s'adapter aux évolutions thématiques du laboratoire.

Moyens

Les moyens dont bénéficie le laboratoire ont connus une certaine stabilité sur la période 2008-2013. Le

budget moyen du laboratoire se situe autour de 2,5 M€. La dotation annuelle de Lille 1 est restée stable malgré

un nouveau mode de calcul mis en place en 2010. Celle du CNRS a connu une baisse d'environ 15%. Par ailleurs

les crédits obtenus au titre du BQR de Lille 1 ou au titre des crédits d'intervention du CNRS ont aussi connu une

baisse au cours de ces 5 dernières années, à l'exception de soutien de l'INSU à des actions spécifiques dans le

cadre du programme national PCMI (Physico-chimie du milieu interstellaire). L'ensemble de ces moyens

représente environ 25% du budget du laboratoire.

La source de crédit majeure sur la période 2008-2013 a été la contribution reçue dans le cadre du contrat

de projet Etat-Région, notamment au sein du projet CIA (Campus Intelligence Ambiante). Cette contribution

moyenne de 1M€ par an a été consacrée à des achats d'équipement et aux salaires de personnels recrutés en CDD

(post-doctorants, ingénieurs), ainsi qu'à des dépenses de fonctionnement de 2008 à 2011. L'arrivée irrégulière de



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ces crédits peut néanmoins faire apparaître des fluctuations importantes d'une année sur l'autre sur le budget

global de l'unité. Dans une moindre mesure nous avons aussi reçus quelques contributions financ ières via le

projet IRENI (Institut en Environnement Industriel), toujours dans le cadre du contrat de projet Etat-Région.

Le succès des projets proposés auprès des divers programmes de l'ANR a permis au laboratoire de

bénéficier de crédits supplémentaires par rapport à la période antérieure. Chaque année de 2 à 7 projets ont

été financés par l'ANR, majoritairement (mais pas exclusivement) dans le cadre du programme blanc. 3 projets

(2 en 2013, 1 en 2012) ont été financés dans le cadre du programme Jeunes Chercheurs Jeunes Chercheuses et 2

projets l'ont été dans le cadre d'appels d'offres internationaux (Grande-Bretagne, Chili).

Par comparaison avec le nombre de dossiers déposés chaque année auprès de l'ANR, la participation à des

programmes européens est moins développée au sein du laboratoire mais plusieurs projets ont été sélectionnés

dans le cadre de divers programmes: 6ème et 7ème programmes cadres (Molecular Universe, QUASAAR, HIDEAS,

NextgenPCF, NextGenCat,..) ou programme Interreg (Plasmobio). Plusieurs collaborations bilatérales ont aussi

été financées (Mexique, Japon, Ukraine, Portugal, Chili...).

Les contrats industriels représentent une source de crédits complémentaires mais leurs montants n'ont

pas été très significatifs jusqu'à l'obtention récente début 2013 d'un contrat plus substantiel (2,5 M€ sur 2 ans)

qui, en cas d'issue favorable, pourrait déboucher sur des revenus réguliers pour le laboratoire. La confidentialité

des travaux associés à ce contrat ne permet pas de détailler le programme de ce contrat.

Le PhLAM est partenaire de 2 projets LABEX et de 2 projets Equipex labellisés au printemps 2012. La mise

en place des crédits correspondants a été très partielle pour le moment et l'impact budgétaire sera plus

important lors des prochaines années, et notamment à cause de l'achat d'équipements lourds dans le cadre de

l'Equipex FLUX.

Gouvernance

L'organisation de l'unité est basée sur l'existence de deux instances qui viennent épauler le directeur: le

conseil de laboratoire et un conseil plus restreint formé des responsables des 5 équipes du laboratoire. Ce

dernier conseil est associé principalement aux décisions concernant la réflexion sur la programmation et

l'affichage des profils de postes (tant enseignant-chercheur que personnel d'accompagnement de la recherche),

les engagements du laboratoire dans au niveau de certains appels d'offres (PIA par exemple), la répartition

annuelle des crédits aux équipes. Le conseil de laboratoire, qui se réunit régulièrement toutes les 2 à 3

semaines, discute et valide les propositions du conseil précédent et traite l'ensemble des autres problèmes liés à

la vie du laboratoire. Sa représentativité plus large que celle du conseil des responsables d'équipe permet des

échanges plus riches.

L'assemblée générale du laboratoire a été convoquée à un petit nombre de reprises. La motivation

principale de ces convocations était liée aux projets de structuration interne de l'université et au débat entre

les candidats à la direction du laboratoire.

L'animation scientifique est réalisée par le directeur d'unité et les responsables d'équipes. Au niveau de

Lille 1 la structuration actuelle fait état d'un Institut de Physique, dont l'animateur est M. Lefranc. Outre un rôle

d'animation transverse permettant d'impliquer l'ensemble des physiciens du campus, M. Lefranc a aussi un rôle

de coordonnateur des demandes transmises par les laboratoires de ce secteur dans le cadre des appels d'offres

de l'université (BQR, professeurs invités, ...). Les équipes du laboratoire ont toutes leur séminaire de spécialité

(néanmoins ouvert à tous). Il n'y a pas de séminaire régulier du laboratoire compte tenu de la difficulté à

rassembler régulièrement un auditoire suffisant. Quelques conférences avec des invités de renom ont

néanmoins été organisées. Nous avons aussi organisé au nom de la Fédération de Physique plusieurs workshops

(format d'une demi-journée) sur des thèmes transversaux qui ont rassemblés des physiciens, mathématiciens,

économistes... La manifestation la plus importante que nous ayons organisée dans ce cadre est sans doute la

journée du 8 Novembre 2012 célébrant les 65 ans de P. Glorieux et intitulée "Du monde quantique à la

dynamique non linéaire", qui a réuni plusieurs conférenciers renommés incluant S. Haroche et A. Aspect. Depuis

2012 nous participons aussi à la programmation de séminaires dans le cadre des LabEx CaPPA et CEMPI. Les

membres des différentes équipes du laboratoire ont aussi été fortement impliqués dans l'organisation de

plusieurs colloques nationaux et internationaux à Lille: 11th Experimental Chaos and Complexity Conference en



janvier 2013

9

2010 (environ 200 participants de 30 nationalités différentes), IMAMPC en 2012, Optique Lille 2009 (plus de 250

participants) par exemple. Nous accueillerons également la conférence EGAS en 2014. La présence de membres

du laboratoire est aussi effective au niveau des comités scientifiques de plusieurs colloques nationaux ou

internationaux.

Un responsable valorisation (A. Mussot) a été nommé en 2011 comme interlocuteur des tutelles pour tous

les problèmes relevant de ce champ. Cette fonction est maintenant incontournable pour le PhLAM compte tenu

de l'orientation de certains de nos activités et aussi de le mise en place de nouvelles structures telles qua la

SATT.

Services communs du laboratoire.

Les personnels techniques et administratifs sont majoritairement organisés en service commun, à

l'exception des personnels affectés à la centrale de photonique (2 IR, 1 IE et 2 AI).

Le service de gestion/administration compte 3 personnels permanents (1 IE, 2 T), aidés par des personnels

mis à disposition par l'UFR de Physique à temps partiel compte tenu de le charge du service. Il est placé sous la

responsabilité de W. Kolnierzak, qui est aussi le responsable administratif du laboratoire. A ce titre il réalise

seul ou en présence du directeur (ou parfois d'un responsable d'équipe) les entretiens annuels des personnels.

Le service d'électronique compte 5 personnes (2 IE, 1 AI, 1 T et 1 ADT) sous la direction de H. Damart,

chargées de la conception et de la réalisation de dispositifs divers pour les équipes de recherche ou pour les

services généraux du laboratoire (par exemple pour la mise aux normes de certaines installations). Les

compétences présentes concernent l'électronique analogique et numérique, les techn iques d'interfaçage...

En instrumentation L. Hay, IE, est en charge des projets des diverses équipes et est le référent du

laboratoire pour la programmation sous Labview (National Instruments). Une coordination avec l'atelier

d'électronique et celui de mécanique est réalisée pour les projets qui nécessitent la mise en commun de cet

ensemble de compétences. A. Resfa, ADT, complète ce secteur d'activité avec des compétences dans le domaine

des techniques du vide notamment.

En optique les activités sont plus dédiées à un secteur d'activités. N. Savoia, IR, est en charge de la salle

femtoseconde, qui est une plateforme utilisée par plusieurs équipes du laboratoire, et de son planning

d'utilisation. Elle anime aussi la communauté des usagers afin de programmer les achats d'équipements

complémentaires. D. Bacquet, IE, est en charge de l'élaboration de dispositifs fibrés (sources fibrées pour la

physique atomique,...)

Un mécanicien affecté au PhLAM fait partie de l'atelier de mécanique de l'UFR de Physique (4 personnes

au total), récemment mutualisé avec celui de Chimie et qui sera prochainement mutualisé avec celui du secteur

IEEA, avec une localisation maintenu dans le bâtiment P5. Son affectation au PhLAM est justifiée par le fait que

nous sommes le plus gros utilisateur de cet atelier (plus de 60% des travaux réalisés). Cela permet aussi une plus

grande fluidité dans la réalisation des pièces.

Un informaticien est en charge du parc informatique du laboratoire et de la sécurité informatique. Il est

notamment chargé de la mise aux normes des procédures de sécurité informatique récemment proposées par le

CNRS.

Hygiène et sécurité

Depuis Janvier 2010 et la mise en place de nouveaux assistants de prévention, N. Savoia pour les risques

optiques et O. Cristini pour les risques chimiques, nous avons une politique plus affirmée pour sensibiliser les

personnels aux risques et mettre en place des procédures visant à améliorer la qualité de l'environnement de

travail au laboratoire. Cette politique est menée en étroite collaboration avec les responsables prévention de

l'UFR de Physique et en conformité avec les initiatives de Lille 1 dans ce domaine (par exemple la procédure

actuelle visant à un meilleur contrôle du stockage des produits chimiques sur le campus). Une visite des

ingénieurs Hygiène et Sécurité de Lille 1 et du CNRS a été organisée à la demande du laboratoire en 2010, qui a

permis un état des lieux objectif et une définition des actions à mener. En ce qui concerne les équipements et



janvier 2013

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personnels hébergés dans le bâtiment IRCICA, ils sont assujettis aux règles locales en vigueur et dépendent d'un

agent de prévention spécifique.

Les principales actions entreprises ont consisté en :

L’identification et l’évaluation des risques généraux du service, à travers la rédaction du Document

Unique ; la rédaction du document a comporté plusieurs mois de travail, pendant lesquels il a fallu envoyer un

questionnaire à tout le personnel et en étudier les réponses, visiter tous les salles d’expérimentation et discuter

avec le personnel. Un programme de prévention a été établi et un certain nombre d’actions ont été menées, par

exemple l’installation systématique de voyants laser, l’achat de lunettes de protection laser, de gants, de bacs

de rétention.

L’accueil, tous les 15 jours, des nouveaux entrants ; par exemple, en tant qu' Ingénieur de Recherche en

optique, N. Savoia informe et sensibilise sur le risque laser tous les nouveaux entrants qui doivent faire des

expériences en optique.

Un point ‘hygiène et sécurité’ a été introduit lors du conseil du laboratoire et une ligne budgétaire

spécifique y a été dédiée. Des réunions avec le directeur d’unité, le responsable administratif et les assistants

de prévention du laboratoire, organisées avec une périodicité variable selon les besoins, permettent de faire le

point sur l’hygiène et la sécurité au sein de la structure et d’établir l’état d’avancement du programme de

prévention. Les assistants de prévention participent tous les ans à une journée de formation continue en hygiène

et sécurité, au Colloque ACMO, et à un certain nombre de réunions qui les mettent à jour sur la règlementation

et sur ses modalités d’application.

En cas d’accident de travail, les procédures ont été normalisées, en conformité avec celles mises en place

à l'UFR de Physique et à Lille 1 et celles préconisées par le CNRS.

Chaque année une partie des crédits du laboratoire (10 à 15 k€ par an en moyenne) est consacrée à la

rénovation des locaux, tant salles d'expériences que bureaux et à leur remise aux normes de sécurité.

Néanmoins depuis deux années il est à déplorer que certains frais soient à la charge des laboratoires

(remplacement des fenêtres par exemple) alors qu'ils étaient auparavant pris en charge par l'université.

Faits marquants

Succès à l'appel d'offres du PIA

Au niveau collectif il faut mettre en avant la réussite du laboratoire à l'appel d'offre organisé dans le

cadre du PIA en 2012: 2 projets impliquant le PhLAM ont été sélectionnés au titre des LabEx et 2 autres au titre

des EquipEx.

Le projet LabEx CEMPI (Centre Européen pour les Mathématiques, la Physique et leurs Interactions)

regroupe 3 équipes du laboratoire (Dynamique non linéaire des systèmes optiques et biologiques, Photonique,

Physique des atomes refroidis par laser) et la majeure partie du laboratoire de mathématiques Painlevé de Lille

1. Il est centré sur des projets collaboratifs entre mathématiciens et physiciens, allant des aspects les plus

fondamentaux aux aspects les plus appliqués. Les thématiques traitées sont centrées autour de l'étude de

dynamiques complexes en optique et physique atomique, et de l'interface des mathématiques et de la physique

avec la biologie. Cela inclut par exemple la propagation d'impulsions lumineuses dans les fibres optiques, et en

particulier d'évènements extrêmes, l'utilisation de l'optique comme un laboratoire pour explorer la mécanique

statistique de la turbulence ou de la dynamique collective de particules (atomes ou électrons), le chaos

quantique et la localisation d'Anderson, ainsi que les extensions non linéaires de la mécanique quantique,

l'information et l'optique quantique, l'utilisation de dynamiques non linéaires au sein des réseaux d'interaction

qui gouvernent les grandes fonctions cellulaires. Certaines questions mathématiques relient plusieurs de ces

thèmes, tels par exemple l'équation de Schrödinger non linéaire, qui intervient à la fois en optique fibrée et

dans l'étude des condensats de Bose-Einstein. Plus généralement, le projet CEMPI est bien adapté au continuum

théorie-expériences-numérique qui est un des traits marquants du laboratoire. Ce projet a été porté

conjointement par les deux laboratoires, sous la direction de S. De Bièvre (Painlevé) et les actions communes



janvier 2013

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mises en place depuis l'automne 2012 (semestres thématiques, groupes de travail communs) ont permis

l'émergence d'un pôle physique-mathématiques, qui permettra d'aborder de nouveaux problèmes (par exemple

les effets non linéaires en physique quantique) et de renforcer la visibilité internationale de nos équipes.

Plusieurs actions ont déjà été réalisées, outre la journée de lancement. Le premier semestre thématique a été

consacré en 2013 à la dynamique collective non linéaire dans les systèmes atomiques et optiques complexes et

une école thématique organisée en janvier 2013. Un second colloque est prévu en novembre 2013 (Mécanique

statistique et physique non linéaire). Le Labex CEMPI permet aussi d'attirer et de sélectionner de bons étudiants

de M1 et M2 par l'octroi d'une bourse d'études. Cette procédure, nouvelle pour nous, a été mise en place en 2013

et permis de sélectionner 2 dossiers et devrait s'étoffer à l'avenir. CEMPI permet également le financement de

thèses et dans ce cadre favorise la codirection de thèses par un mathématicien et un physicien.

Le projet CaPPA (Chemical and Physical Properties of the Atmosphere) regroupe deux équipes du PhLAM

(Spectroscopie et applications et Physico-chimie moléculaire théorique) et plusieurs laboratoire de Lille 1: le

Laboratoire d'Optique Atmosphérique (porteur du projet), le laboratoire de Physico-Chimie des Processus de

Combustion et de l'Atmosphère, le Laboratoire de Spectroscopie Infrarouge et Raman, l'unité mixte de services

ICARE, un laboratoire de l'ULCO (LPCA) et une équipe de l'Ecole des Mines de Douai. Le LabEx CaPPA est focalisé

d’une part sur le système « aérosols » et ses précurseurs pour mieux appréhender leur rôle sur le forçage

climatique et le cycle hydrologique, et d’autre part sur l’évolution de la qualité de l’air aux échelles globale,

régionale et locale, avec des études spécifiques consacrées aux radionucléides. Ce projet permet de renouveler

en profondeur les partenariats entre ses acteurs. Tout comme dans le cadre de CEMPI, un programme d'aide à la

mobilité de bons étudiants de Master a été mis en place.

Le projet Equipex FLUX (Fibres optiques pour les hauts flux) est un projet coordonné par le laboratoire,

impliquant une équipe de l'IEMN ainsi que plusieurs partenaires industriels, dont notre partenaire privilégié

Prysmian. Il permet de maintenir la centrale de technologie de fibres à un niveau d'excellence grâce aux

nouveaux équipements qui seront acquis et d'augmenter sa visibilité (pour plus de détails voir la partie

Photonique du rapport).

Le projet Equipex REFIMEVE+ (Réseau Fibré Métrologique à Vocation Européenne), porté par C.

Chardonnet (Paris 13) compte une vingtaine de partenaires dont le PhLAM et vise à transporter via le réseau

RENATER un standard de fréquences au meilleur niveau mondial (10-17-10-18 en stabilité relative) à l'ensemble

des laboratoire partenaires. Des expériences de métrologie fine pourront ainsi être développées dans les

domaines de la physique atomique ou moléculaire par exemple. La réunion de lancement de ce projet a eu lieu

fin Mai 2013 et la mise en place des équipements est à l'étude actuellement.

Faits marquants scientifiques

Au niveau du bilan scientifique des équipes les faits marquants suivants sont à signaler, classés par

thématique scientifique

Dynamique non linéaire des systèmes optiques et biologiques

N. Akhmediev, A. Ankiewicz, and M. Taki, « Waves that appear from nowhere and disappear without a

trace », Physics Letters A373, 675 (2009). Des solutions d'ondes solitaires de l'équation de Schrödinger non

linéaire dont les amplitudes peuvent prendre des valeurs arbitrairement élevées ont été étudiées. Les propriétés

de ces solutions en font des prototypes naturels des vagues scélérates dans l'océan, qui elles aussi peuvent avoir

des amplitudes anormalement grandes et apparaissent "de nulle part". Une autre application de ces résultat s est

la génération d'impulsions optiques de grande amplitude ou "vagues scélérates optiques". Cet article est en passe

de devenir une référence dans le domaine des ondes scélérates (plus de 150 citations). Il a aussi été sélectionné

pour donner une illustration des ondes scélérates sur internet dans « The Wolfram Demonstrations » Project

http://demonstrations.wolfram.com/e/2/.

http://demonstrations.wolfram.com/e/2/



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Fig. 1-1 : La figure de droite représente une onde scélérate sous forme de solution rationnelle de

l’équation de Schrödinger non linéaire extraite de la Ref. : N. Akhmediev, A. Ankiewicz, and M. Taki, Physics

Letters A373, 675 (2009); celle de gauche correspond à onde scélérate de type soliton Peregrine extraite de la

Ref. : U. Al Khawaja and M. Taki à paraître dans Physics Letters A (2013).

P. Suret, S. Randoux, H.R. Jauslin and A. Picozzi, “Anomalous thermalization of nonlinear wave systems”,

Physical Review Letters, 104, 054101 (2010). Cette publication décrit un effet de thermalisation anormale dans

le spectre optique d'un système d'ondes non linéaire se propageant dans une fibre optique et atteignant un état

d'équilibre thermodynamique violant l'équipartition d'énergie.

C. Bruni, T. Legrand, C. Szwaj, S. Bielawski and M.-E. Couprie, « Equivalence between free-electron laser

oscillators and actively mode-locked lasers : Detailed studies of temporal, spatiotemporal and spectrotemporal

dynamics », Phys. Rev. A 84, 063804 (2011). L'équivalence d'un point de vue dynamique entre les lasers à

électrons libres oscillateurs sur anneau de stockage et les lasers à blocage de mode actif est démontrée dans cet

article, qui a fait l'objet d'un synopsis dans la revue Physics, à l'initiative d'un éditeur de Physical Review

A (décembre 2011).

Q. Thommen, B. Pfeuty, P.-E. Morant, F. Corellou, F.-Y. Bouget and M. Lefranc, « Robustness of circadian

clocks to daylight fluctuations: hints from the picoeucaryote Ostreococcus tauri », PloS Comp Biol. 6, e1000990

(2010). Cette publication a révélé chez une algue microscopique un mécanisme simple pour affranchir l'horloge

biologique des fluctuations de l'éclairement dues aux caprices météorologiques. Accompagnée par des

communiqués de presse du CNRS et de PloS, elle a été mentionnée dans le rapport scientifique 2010 du CNRS,

parmi les 4 articles retenus à la rubrique « Génomique ».

F. Anquez, I. El Yazidi-Belkoura, S. Randoux, P. Suret, and E. Courtade, « Cancerous Cell Death from

Sensitizer Free Photoactivation of Singlet Oxygen», Photochem. Photobiol. 88, 167 (2012). Une excitation laser

directe de l’oxygène singulet, sans utilisation de substance photosensibilisante, est démontrée, permettant

potentiellement de surmonter des problèmes associés à l’administration systématique de photosensibilisant en

thérapie du cancer. Article remarqué dans la revue Photochem. Photobiol. en faisant sa couverture (jan.-fév.

2012) et avec un article “highlight'' de M. R. Detty. Article remarqué dans un communiqué de presse du CNRS,

mars 2012.

Photonique

I. Sources blanches à fibre optique

En utilisant des fibres microstructurées à dispersion décroissante dopées à l’oxyde de germanium, nous

sommes parvenus à mettre au point la première source blanche continue à fibre optique au monde (Fig. 1 -2a),

avec une puissance approchant les 10 W, un record à l’époque. Il s’agit d’ailleurs à notre connaissance de la

seule démonstration de supercontinuum à la fois continu et blanc à ce jour. En plus des publications dans des

journaux spécialisés, ces résultats ont fait l’objet d’une large couverture dans la presse industrielle et grand

public (Fig. 1-2b,c) et de dépôts de brevets dont la valorisation est actuellement assurée par le FIST. Par

ailleurs, nous nous sommes également penchés sur les caractéristiques temporelles de ces sources, primordiales

pour certaines applications, et nous avons mis en évidence de fortes instabilités liées à la présence d’ondes



janvier 2013

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scélérates optiques. Ces études fondamentales nous ont permis de mettre au point une solution passive pour

stabiliser temporellement les sources supercontinuum à l’aide de fibres microstructurées effilées conçues et

fabriquées au sein de la centrale Fibertech. Des financements obtenus auprès d’OSEO et du CNRS ont permis de

développer un prototype de source blanche stabilisée basé sur cette technique. Ce prototype « clé en main »,

montré sur la Fig. 1-2d, est 3 à 4 fois plus stable que les sources commerciales que nous avons caractérisées.

Communications : 16 articles dans des revues de rang A, 1 article de revue invité, 1 chapitre de livre, 2

brevets, 7 articles de diffusion (Journal du CNRS, Science et Avenir, Photonics Spectra ; etc…), 3 conférences

invitées, 17 conférences internationales orales.

II. Amplification d’impulsions à dérive de fréquence dans un amplificateur paramétrique à fibre

Nous avons obtenu la première démonstration expérimentale d’un amplificateur paramétrique à fibre

d’impulsions à dérive de fréquence (Fig. 1-3-(a))1. Cette première établie en collaboration avec le CEA CESTA a

largement été saluée par la communauté (Research highlight dans Nature photonics, identifié comme un des 3

faits marquants en optique non linéaire par l’OSA en 2010 et comme un des faits marquants du CEA DAM en

2010, voir Fig. 1-3-(b) à (d) et par un article dans la revue actualité de physique du CNRS en 2010). En effet, elle

constitue une preuve de concept d’avenir, en montrant qu’il serait possible de remplacer le premier étage

massif et encombrant par un système tout fibré des futurs lasers ultra-puissants de type PetaWatt qui

commencent à se développer commercialement dans le cadre d’applications en oncologie ou en radiographie X.

Fig. 1-3 : a- Schéma du dispositif expérimental, (b) Highlight dans Nature Photonics, faits marquant 2010 de l’OSA (c) et du CEA DAM (d).

Ces travaux ont donné lieu à 2 autres publications, 1 dépôt de brevet et à 1 conférence internationale

invitée. Ces travaux de base nous ont permis d’obtenir un financement ANR (ANR FOPAFE) et un financement de

la région Nord pas de Calais (post doc 2 ans)

1C. Caucheteur, D. Bigourd, E. Hugonnot, P. Szriftgiser, A. Kudlinski, M. Gonzalez-Herraez, and A. Mussot,

"Experimental demonstration of optical parametric chirped pulse amplification in optical fiber," Opt. Lett. 35, 1786–1788

(2010).

III. Fibres optiques à mode plat : de la préparation laser de panneau solaire au Laser MegaJoule

Une fibre spécifique monomode délivrant un faisceau cohérent de profil d'intensité plat est une solution

avantageuse pour de nombreuses applications (Laser MegaJoule, interactions laser-tissus biologiques,

marquage/découpe laser,…). En effet, elle permettrait un éclairement uniforme de la cible (contrairement au

profil quasi-gaussien délivré par une fibre monomode standard ou microstructurée) tout en conservant une



janvier 2013

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profondeur de champ importante (grâce à la monomodalité de la fibre) et les avantages classiques d’une

solution fibrée (compacité, robustesse, faible encombrement,…). Nous avons pu obtenir la première réalisation

convaincante de ce type de fibre (Fig 1-4) grâce à la centrale photonique Fibertech en combinant notamment les

savoir-faire du dépôt OVD et de la réalisation de fibres microstructurées. Ce projet, largement soutenu par le

CEA (2 contrats d’étude + 1 thèse), a d’ores et déjà conduit au dépôt de 2 brevets et suscité l’intérêt de

plusieurs industriels. Une version amplificatrice, qui a été permise grâce à une 3 ème compétence spécifique du

groupe, à savoir la réalisation d’un barreau Sol-Gel dopé Yb de volume conséquent, est en cours de validation.

Fig. 1-4 : a- Photo au microscope électronique à balayage d’une coupe transverse d’une fibre délivrant un mode plat à 1.05µm, l’anneau de haut indice (gris clair) a été déposé par la méthode OVD. b- Profil transversal d’intensité obtenu

expérimentalement en sortie de fibre. c- Coupe d’intensité selon l’axe vertical et horizontal.

IV. Transmissions sur fibres légèrement multimodes pour les nouveaux réseaux de télécommunications

Depuis le lancement d’internet et des outils multimédia, la croissance du trafic de données a toujours pu

s’appuyer sur une évolution continue des performances de la capacité des réseaux fibrés. Cependant, même si

les performances rapportées sur fibres monomodes n’ont cessé d’augmenter, elles semblent aujourd’hui arriver

à leur limite physique, ce qui implique de devoir développer de nouvelles technologies de rupture afin de

répondre à l’augmentation des débits prévue d’ici la prochaine décennie. Dans ce contexte, une technologie

semble émerger : le multiplexage spatial. Dans le cas de l’utilisation de fibres légèrement multimodes, il s’agit

d’utiliser chaque mode comme un canal indépendant de transmission (voir Fig.1-5). Il est ainsi possible, dans

une même fibre, de multiplier par 10 ou plus le débit de données. Cependant, de nombreux défis technologiques

restent à relever, notamment l’amplification simultanée et égalisée des différents modes guidés. C’est pour

lever ce verrou technologique que les compétences de l’équipe Photonique du laboratoire PhLAM/IRCICA, via la

centrale Fibertech, ont été mises à profit pour interagir avec des acteurs académiques et industriels reconnus

dans ce domaine (notamment Alcatel-Lucent, Bell Labs, et Prysmian Group), via un contrat ANR Verso

« STRADE ». Cette activité est également soutenue dans le cadre du laboratoire commun Prysmian – PhLAM et

dans l’Equipex FLUX.



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Fig. 1-5 : a,b- Evolutions théoriques et expérimentales des gains des modes LP11 et LP21 dans une fibre dopée erbium avec dopage en anneau, c-Article paru dans le journal du CNRS de mars-avril 2013.

Dans un contexte mondial très concurrentiel, les différentes compétences regroupées au sein de la

centrale Fibertech ont été mises à profit pour réaliser des fibres amplificatrices originales et novatrices, avec

notamment une première mondiale : l’amplification simultanée de 4 modes spatiaux (LP11a et LP11b, LP21a et

LP21b). Les techniques utilisées sont notamment : dépôt MCVD, méthode de dopage en solution, micro-

structuration du cœur et matériaux sol-gel.

Cette thématique est soutenue par le partenaire Prysmian qui a accepté de financer une thèse CIFRE

intitulée « Fibres optiques pour les réseaux du futur ».

Communications : 1 article dans une revue de rang A, 1 communication dans le journal du CNRS, 1

conférence invitée, 1 post-deadline et 3 oraux dans des conférences internationales.

Physique des atomes refroidis par laser

Un simulateur quantique pour la transition d’Anderson a été réalisé avec des atomes refroidis par laser,

utilisant l’analogie mathématique entre le rotateur frappé quasi-périodique et le modèle d’Anderson

tridimensionnel. L’étude expérimentale de ce système a permis une caractérisation très complète de cette

transition de phase quantique. Nous avons pu, en particulier, réaliser la première détermination expérimentale

de son exposant critique (Fig. 1-6) [Chabé et al. Phys. Rev. Lett. 101, 255702 (2008)], vérifier l’ « universalité »

de cet exposant [Lopez et al. Phys. Rev. Lett. 108, 095701 (2012)], déterminer expérimentalement son

diagramme de phase [Lopez et al. New J. Phys 15, 065013 (2013)], et réaliser une caractérisation de sa fonction

d’onde critique [Lemarié et al. Phys. Rev. Lett. 105, 090601 (2010)].

Ces résultats ont fait l’objet de plusieurs « editor suggestions » de la part des éditeurs de PRL, ainsi que

des « Synopsis » et « Viewpoints ». Ils ont donné lieu à une communication sur le site du CNRS

http://www.cnrs.fr/inp/spip.php?article208) et à des articles dans les « Images de la Physique » 2009.

Fig. 1-6 : Exemple de détermination expérimentale de l’exposant critique de la transition métal-isolant

d’Anderson avec le rotateur forcé quantique quasi-périodique.

Une étude théorique et numérique de la localisation d’Anderson en présence d’interactions a été

réalisée (Fig. 1-7) [Vermersch and Garreau, Phys. Rev. E 85, 046213 (2012), ibid. New J. Phys 15, 045030

(2013)]. La dynamique des systèmes désordonnés soumis à des interactions non linéaires a été étudiée,

permettant de caractériser et élucider les mécanismes physiques impliqués dans la destruction de la localisation

d’Anderson par les interactions. L’effet des interactions sur la transition d’Anderson du rotateur frappé quasi-

périodique a aussi été considéré. Cette étude, menée en collaboration avec D. Delande et N. Cherroret du LKB

(Paris), et qui utilise le formalisme de Bogolioubov et la théorie auto-consistante de la localisation d’Anderson,

http://www.cnrs.fr/inp/spip.php?article208



janvier 2013

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fournit une base théorique solide pour les expériences prévues dans un futur proche dans le cadre du projet ANR

2013 K-BEC.

Fig. 1-7 : Diagramme de phase d’atomes ultrafroids en présence de désordre (W) et d’interactions non linéaires (g). La grandeur l caractérise l’extension asymptotique du paquet d’ondes.

Physico-chimie moléculaire théorique

1) F. Réal, M. Trumm, B. Schimmelpfennig, M. Masella and V. Vallet. J. Comput. Chem. 34, 707-

719 (2013) : Cet article propose un nouveau champs de force polarisable pour les cations qui tient compte des

effets coopératifs, tels que le transfert de charge. Ce travail ouvre la voie à la simulation de solutions plus

complexes impliquant des radionucléide soit en phase solvatée, soit aux interfaces.

2) A. S. P. Gomes, C. R. Jacob, F. Réal, V. Vallet, and L. Visscher, Phys. Chem. Chem. Phys. 15,

15153–15162 (2013) : Cette publication fait la démonstration que les performances de la méthode d'embedding

FDE développée en partenariat avec Amsterdam (L. Visscher) et Karlsruhe (C. R. Jacob) est tout à fait capable

de décrire l'effet de l'environnement cristallin sur le spectre électronique de l'ion uranyle(VI) dans le cristal

Cs2UO2Cl4. Ceci va nous permettre d'aborder l'étude de spectres électroniques de systèmes plus complexes, en

couplage avec les simulations de dynamique moléculaire du fait marquant 1).

3) F. Real, B. Ordejon, V Vallet, J.P. Flament and J. Schamps J. Chem. Phys. 131, 194501 (2009):

Dans notre tentative de reproduire et interpréter les spectres expérimentaux d'absorption et d'émission de

cristaux dopés grâce à une approche moléculaire dite de cluster environné, nous avons montré la nécessité

d'intégrer les effets de relaxation du cristal induit par le dopage. La prise en considération de ces relaxations et

plus particulièrement de celle de l'état luminescent a permis d'amener un éclairage nouveau sur les observations

expérimentales. À notre connaissance cette étude fut la première dans son genre.

4) P. Peters, D. Duflot, A. Faure, C. Kahane, C. Ceccarelli, L. Wiesenfeld, C. Toubin, J. Phys.

Chem. A, 115 (32), 8983–8989 (2011) Dans cette publication, l'influence de l'eau contenue dans le manteau des

grains interstellaire sur la formation de molécules organiques a été caractérisée par diverses méthodes de

chimie quantique, révélant les limitations de certaines de ces approches.

Spectroscopie et applications

Nous avons caractérisé au laboratoire des molécules organiques complexes par spectroscopie

centimétrique, millimétrique et submillimétrique, modélisé leurs spectres avec l’aide de théoriciens, et

effectué grâce à un fort partenariat avec la communauté des astronomes un certain nombre de détections

astrophysiques. Ces travaux ont donné lieu à une vingtaine de publications communes avec les radioastronomes



janvier 2013

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dans des revues à haut facteur d'impact (Astrophysical Journal, Astronomy & Astrophysics), ils ont été soutenus

par les ANR TOPMODEL et FORCOMS, le programme national PCMI, et le CNES.

Figure 1-8. Première détection de l’espèce isotopique 13C du formate de méthyle HCOO13CH3 dans Orion par le CAB-CSIC à l’aide du radiotélescope IRAM. Cette détection n’a pu être effectuée que grâce à une modélisation précise du spectre microonde de cette molécule, réalisée grâce à des études expérimentales et théoriques de laboratoire menées notamment au PhLAM et au LISA. Spectre observé (en noir) comparé à la modélisation des raies de type A (en rouge). Carvajal et al, 2009, A&A. 500, 1109.

Communication : Ces travaux ont été repris dans le document de prospective Astronomie-Astrophysique

2010 - 2015 de l’INSU (CNRS) dans la section l’Astrophysique de Laboratoire

(http://www.insu.cnrs.fr/univers/la-prospective-astronomie-astrophysique-2010-2015, pp90-91). Deux études

couplées mettant en jeu les spectromètres du PhLAM et ceux installés sur la ligne de lumière AILES à SOLEIL

consacrées à des molécules astrophysiques (15NH, HCOOCH3) ont fait l'objet de « Viewpoints » sur le site web du

synchrotron SOLEIL en 2010 et 2012 (http://www.synchrotron-

soleil.fr/Soleil/ToutesActualites/EnDirectDesLignes).

http://www.insu.cnrs.fr/univers/la-prospective-astronomie-astrophysique-2010-2015

http://www.synchrotron-soleil.fr/Soleil/ToutesActualites/EnDirectDesLignes

http://www.synchrotron-soleil.fr/Soleil/ToutesActualites/EnDirectDesLignes



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2. Réalisations

2.1. Dynamique non linéaire des systèmes optiques et biologiques

Thématiques de recherche

- Localisation de la lumière et ondes scélérates en optique, Optique non linéaire incohérente, Optique et information quantiques, Sources sur accélérateurs, Dynamique des réseaux biologiques, Dynamique du stress en cellules vivantes, Applications des lasers et de la dynamique non linéaire

Personnels permanents de l'équipe 15 enseignants-chercheurs, 1 chercheur CNRS, 3 professeurs émérites: Serge Bielawski (PR2), Saliya Coulibaly (MCF, 2011), Emmanuel Courtade (MCF), Dominique Derozier (PREX), Clément Evain (MCF, 2012), Pierre Glorieux (PRém, 2012), Mikhail Kolobov (PR2), Marc Lefranc (PR2, 2010), Eric Louvergneaux (MCF), Bruno Macke (PRém), Giuseppe Patera (MCF), Benjamin Pfeuty (CR2, CNRS), Stéphane Randoux (PR2), Bernard Ségard (PRém), Pierre Suret (MCF), Christophe Szwaj (MCF), Majid Taki (PR1), Quentin Thommen (MCF), Jaouad Zemmouri (PR2)

Post-doctorants

Christophe Caucheteur (1 an, de Janvier à Décembre 2009) Financement FNRS Belgique (Dir. M. Taki). Recruté au FNRS (Equivalent CNRS en Belgique) en 2012.

Saliya Coulibaly (16 mois, de Juin 2009 à Septembre 2010) Financement CNRS (Dir. M. Taki). Recruté à l’Université de Lille 1 en 2011 (MDC).

Mario Wilson 15 mois de Juin 2012 à Aout 2013, financement ANR "COLORS" (Dir. E. Louvergneaux).

Giuseppe Patera (16 mois, d’Avril 2009 à Aout 2010), sur le projet HIDEAS (High Dimensional Entangled Systems) dans le cadre du 7ème PCRD de la Commission Européenne. Recruté à l’Université de Lille 1 en 2010 (MDC).

Dmitri Horoshko recruté sur le projet HIDEAS (High Dimensional Entangled Systems) dans le cadre du 7ème PCRD de la Commission Européenne de Octobre 2010 à Février 2012 (16 mois) et sur le projet de la Région Nord-Pas-de-Calais "Campus - Intelligence Ambiante" de Juin 2012 à Juin 2013 (12 mois).

Nickolay Larionov (2 ans, de Janvier 2010 à Janvier 2012), recruté sur l’ANR « NATIF ».

Takanori Tanikawa (1an, de mai 2011 à avril 2012), recruté sur l'ANR « DYNACO » (Dir. S. Bielawski).

Clément Evain (4 mois, d'octobre 2011 à janvier 2012), recruté sur l'ANR «DYNACO», ATER (6 mois, de février 2012 à septembre 2012). Recruté à l'Université Lille 1 en 2012 (MCF).

Benjamin Pfeuty (2009-2011), recruté sur l'ANR « MINICLOCK » (Dir. M. Lefranc). Recruté au CNRS en 2011 (CID 43 « Modélisation des systèmes biologiques) »).

Adam Stankiewicz (12 mois, d'octobre 2012 à septembre 2013), recruté sur le projet de la Région Nord-Pas-de-Calais « Campus - Intelligence Ambiante», (24 mois, d'octobre 2013 à septembre 2015), recruté sur un projet de recherche Inserm dans le domaine de la « Physique, des Mathématiques, ou des Sciences de l’ingénieur appliqués au cancer» du plan cancer 2013 (Dir. E. Courtade).

Doctorants: 11 thèses soutenues, 7 en cours Publications marquantes

1. N. Akhmediev, A. Ankiewicz, and M. Taki, « Waves that appear from nowhere and disappear without a trace », Physics Letters A373, 675 (2009). Des solutions d'ondes solitaires de l'équation de Schrödinger non linéaire dont les amplitudes peuvent prendre des valeurs arbitrairement élevées sont présentées. Ces propriétés font de ces solutions des prototypes de vagues scélérates dans l'océan, puisque celles-ci aussi peuvent avoir des amplitudes anormalement grandes et apparaissent "de nulle part". Une autre application de ces résultats est la génération d'impulsions optiques de grande amplitude ou "Vagues scélérates optiques". Ce papier est en passe de devenir une référence dans le domaine des ondes scélérates (plus de 150 citations). Il a aussi été sélectionné pour donner une illustration des ondes scélérates sur internet dans « The Wolfram Demonstrations » Project http://demonstrations.wolfram.com/e/2/.

2. P. Suret, S. Randoux, H.R. Jauslin and A. Picozzi, “Anomalous thermalization of nonlinear wave systems”, Physical Review Letters, 104, 054101 (2010). Cette publication reporte un effet dit de thermalisation anormale dans un système d'ondes non linéaire atteignant un état d'équilibre thermodynamique sans équipartition d'énergie.

3. C. Bruni, T. Legrand, C. Szwaj, S. Bielawski and M.-E. Couprie, « Equivalence between free-electron laser oscillators and actively mode-locked lasers : Detailed studies of temporal, spatiotemporal and spectrotemporal dynamics », Phys. Rev. A 84, 063804 (2011). Cette publication montre l'équivalence d'un point de vue dynamique entre les lasers à électrons libres oscillateurs sur anneau de stockage et les lasers à blocage de mode actif. Elle a fait l'objet d'un Synopsis dans la revue Physics, à l'initiative de l'éditeur de Physical Review A (décembre 2011).

4. Q. Thommen, B. Pfeuty, P.-E. Morant, F. Corellou, F.-Y. Bouget and M. Lefranc, « Robustness of circadian clocks to daylight fluctuations: hints from the picoeucaryote Ostreococcus tauri », PloS Comp Biol. 6, e1000990 (2010).

http://demonstrations.wolfram.com/e/2/



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Cette publication a révélé chez une algue microscopique un mécanisme simple pour affranchir l'horloge biologique des fluctuations de l'éclairement dues aux caprices météorologiques. Accompagnée par des communiqués de presse du CNRS et de PloS, elle a été mentionnée dans le rapport scientifique 2010 du CNRS, parmi les 4 articles retenus à la rubrique « Génomique ».

5. F. Anquez, I. El Yazidi-Belkoura, S. Randoux, P. Suret, and E. Courtade, « Cancerous Cell Death from Sensitizer Free Photoactivation of Singlet Oxygen», Photochem. Photobiol. 88, 167 (2012). Cette publication porte sur un schéma alternatif reposant sur une excitation laser directe de l’oxygène singulet sans utilisation de substance photosensibilisante, permettant potentiellement de surmonter des problèmes associés à l’administration systémique de photosensibilisant en thérapie du cancer. Article remarqué dans la revue Photochem. Photobiol. en faisant sa couverture (jan.-fév. 2012) et avec un article “highlight'' de M. R. Detty. Article remarqué dans un communiqué de presse du CNRS, mars 2012.

Production scientifique

1 ouvrage, 3 chapitres d'ouvrages. 100 publications dans des revues à comité de lecture (dont 1 Nature Physics, 1 Nature Photonics, 11 Physical Review Letters, 10 Optics Letters, 10 Optics Express, 1 New Journal of Physics, 2 PloS Computational Biology, 1 Biophysical Journal, 27 Physical Review A+E+STAB, 4 JOSA …) 44 exposés invités dans des conférences internationales, 30 séminaires invités. 111 communications à des conférences internationales.

Faits marquants illustrant le rayonnement ou l'attractivité académique

1. L'équipe dans son ensemble a constitué le comité d'organisation de la 10e édition de l'Experimental Chaos and Complexity Conference, une des principales conférences internationales de dynamique non linéaire. M. Lefranc a été le président du Comité d'Organisation et est devenu à cette occasion l'un des six membres permanents du comité d'organisation international, avec C. Grebogi, L. Pecora, B. Gluckman,J. Kurths, et S. Bocaletti.

2. L'équipe a joué un rôle moteur dans l'élaboration du projet de Laboratoire d'Excellence CEMPI (Centre Européen pour les Mathématiques, la Physique et leurs Interactions), retenu en 2012. Elle intervient principalement dans la thématique 1A « Systèmes Complexes en Physique Atomique et Optique » (responsable M. Taki) et l'axe 2 « Physique et Mathématiques pour la Biologie » (responsable M. Lefranc). M. Lefranc est correspondant scientifique du PhLAM dans CEMPI. La thématique « Fluctuations quantiques » participe aussi activement dans l’axe 3 « Algèbres d'opérateurs et physique quantique ».

3. M. Kolobov a obtenu en 2012 une bourse Fulbright du département d'état des Etats-Unis pour passer six mois comme Professeur Invité dans l'équipe du Professeur E. Candès, au département de Mathématiques et Statistiques de l'Université de Stanford.

4. Les membres de la thématique « Sources sur accélérateurs » participent au comité de pilotage du projet « LUNEX5 », projet français de laser à électrons libres destiné à couvrir le visible, l'ultra-violet et le domaine X. Ce projet est mené par une collaboration impliquant SOLEIL, le LOA, l'ESRF, le CEA, et le PhLAM. Le PhLAM apporte son expertise théorique et numérique à la conception du LEL, ainsi que sa connaissance des phénomènes non linéaires qui constituent des obstacles à l'obtention d'un rayonnement de forte intensité.

5. M. Lefranc a dirigé de 2005 à 2013 les comités d'organisation et scientifique de la Rencontre du Non-Linéaire, la principale conférence francophone de dynamique non linéaire, qui se tient tous les ans à Paris et M. Taki a dirigé de 2007 à 2010 le GDR 3070 PhoNoMi2 « Photonique Non linéaire et Milieux Microstructurés »

Faits marquants concernant l'interaction avec l'environnement socio-économique et culturel

1) Deux enseignants-chercheurs de l'équipe (E. Courtade et Q. Thommen) sont impliqués dans un

important contrat industriel (3 M€ sur deux ans) liant une société de biotechnologies de la région,

l'Université Lille 1 et le CNRS, en collaboration avec 2 ingénieurs d'étude du PhLAM (J. Pesez, H.

Damart) et un enseignant-chercheur de l'IEMN. Il s'agit d'une étude de faisabilité en vue du

développement d'un prototype innovant, avec des clauses de confidentialité qui interdisent une

diffusion des détails techniques du projet.

2) J. Zemmouri a été jusqu'en 2011 PDG d'Osyris SA, une société qu'il a fondée en 2002. Spécialisée dans

la R/D et dans le développement de lasers médicaux (traitement des varices et lipolyse), cette société a

employé jusqu'à 90 personnes, dont la moitié aux États-Unis, et a obtenu l'agrément la Food and Drug

Administration (FDA) pour distribution de deux produits aux Etats-Unis. Suite la restructuration de la

société en 2011, donnant naissance à LSO Médical, J. Zemmouri a quitté l'entreprise. Il est actuellement

consultant pour plusieurs entreprises innovantes.



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3) Organisation par Dominique Derozier de plusieurs manifestations à destination du grand public : Fête

de la Science, journées portes ouvertes au CERLA (novembre 2008 et 2009), « Les cinquante ans du

laser » (2010), exposition grand public dans le centre de Lille « Laser week » (novembre 2010).

4) Le projet « Mort de Cellules cancéreuses induites par laser » dans le cadre du Réseau National des

Technologies de la Santé (2005-2008), mené par D. Derozier, Stéphane Randoux, Pierre Suret, Emmanuel

Courtade, pour un montant de 150k€ a rassemblé des partenaires publics : U703 INSERM et UPRES EA

1049 (Université Lille 2, CHRU Lille), Laboratoire Laser – IFR 114 INSERM CHRU Lille), LAGIS – UMR CNRS

8146 (Université Lille 1), PHLAM/CERLA, LMP EA 2443 (Université de Valenciennes et du Haut

Cambrésis), Service d’Imagerie Médicale, Hôpital Saint Eloi (CHU Montpellier), ainsi que des partenaires

industriels : OSYRIS SA, AQUILAB SAS (Pavillon Vancostenobel - Parc Eurasanté Lille), Hitachi-Medical-

Systems (ZA de Courtaboeuf, Les Ulis).

Rayonnement et attractivité académique

Participation aux programmes Investissements d'Avenir: Participation du groupe dans son ensemble au LABEX « Centre Européen pour les Mathématiques, la Physique, et leurs Interactions », dans la thématique 1A « Systèmes Complexes en Physique Atomique et Optique » et l'axe 2 « Physique et Mathématiques pour la Biologie » et coordination de ces deux thématiques. M. Taki responsable de la thématique 1A, M. Lefranc responsable de l'axe 2 et correspondant scientifique du PhLAM dans CEMPI. Le groupe participe aussi activement dans l’axe 3 « Algèbres d'opérateurs et physique quantique » via la thématique « Fluctuations quantiques ».

Contrats de recherche publics (voir annexe 6): 20 contrats avec des organismes publics, dont 6 projets ANR et 2 projets européens, ayant apporté environ 2.2 M€ aux membres de l'équipe. Contrats de recherche privés. (voir annexe 6): 2 contrats privés, pour un montant total d'un peu plus de 3 M€.

Participation à des projets de recherche collaboratifs

Pole d'attraction universitaire franco-belge « photonics@be : towards smart photonics in 2020 », (2012-2017). Budget - 68 k€ ; « Photonics@be : micro-, nano-, and quantum photonics » (2007-2012). Budget – 100 k€. (Responsable M. Taki)

GDR "Photonique Non linéaire et Milieux Microstructurés" (GDR 3073 CNRS, 2007-2010) ; Budget - 15 k€/an. (Codirection M. Taki et Jérôme Léon, Université de Montpellier 1).

Participation au GDR 2984 « Dynamique et Contrôle des systèmes complexes »

Participation au GDR "Information Quantique : Fondements & Applications" (GDR 3322-IQFA) (M. Kolobov et G. Patera)

Participation au comité de pilotage du projet LUNEX 5 et contribution à la réalisation du Conceptual Design Report. Validation par le comité international chargé de l'évaluation. http://www-phlam.univ-lille1.fr/perso/bielawski/pdf/LUNEX5_CDR.pdf, version finale sur http://www.lunex5.com. (S. Bielawski et Ch. Szwaj)

Comités éditoriaux

M. Taki, Membre de l'Editorial board de Nonlinear Science Letters B: Chaos, Fractal and Synchronization.

Organisation de conférences et participation à des comités scientifiques

M. Taki, co-organisateur de la Conférence Internationale « Solitons in their Roaring Forties: Coherence and Persistence in Non Linear Waves (CPNLW-09)” (6-9 janvier 2009, Nice); membre du Comité Scientifique de la Conférence Internationale : "Nonlinear Photonics" organisée par l'OSA (Optical Society of America); co-organisateur de la Deuxième Rencontre du GDR « Photonique Nonlinéaire et Milieux Microstructurés » (29-31 Mai 2008, Lille); co-organisateur avec l'ULB de la Quatrième Rencontre du GDR « Photonique Nonlinéaire et Milieux Microstructurés » (12-14 Mai 2010, Bruxelles); organisateur de l'Annual Meeting IAP Photonics, Lille, 21 octobre 2011; co-organisateur du Colloque en l’Honneur de J. Léon, Montpellier 15-16 Novembre 2011.

M. Lefranc, président du comité d'organisation et membre du comité scientifique international de l'Experimental Chaos and Complexity Conference (1-4 juin 2010, Lille), une des principales conférences internationales de dynamique non linéaire, et dont le comité d'organisation local était constitué de l'équipe dans son ensemble; président des comités d'organisation et scientifique de la Rencontre du Non-Linéaire, la principale manifestation française de dynamique non linéaire (2005-2013); membre du comité scientifique de l'école thématique interdisciplinaire d'échanges et de formation en biologie de Berder (2012-); membre du comité de direction du GDR 2984, « Dynamique et Contrôle des systèmes complexes » (2006-2013).

http://www.lunex5.com/



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E. Louvergneaux, membre du comité de sélection de la conférence European Quantum Electronics Conference EQEC 2009, section : Dynamics, Instabilities, and Patterns, Chairman de la session EH3: Patterns, Self-Organization and Control; membre du comité de sélection de la conférence European Quantum Electronics Conference EQEC 2011, section : Dynamics, Instabilities, and Patterns, Chairman de la session EH2: Complex Spatial and Temporal Dynamics of Optical Beams and Quantum Fluids; organisateur du workshop international COLORS (Control of Optical Localized and Rare Structures) dans le cadre de l'ANR internationale COLORS, Nice, 9 - 11 Janvier 2013

M. I. Kolobov, 2008 : Membre du Conseil International Scientifique (International Advisory Board) de «XII International Conference on Quantum Optics » (Vilnius, Lituanie); 2009 : Membre du Comité de Programme de la Conférence Internationale European Quantum Electronics Conference (EQEC) 2009 (Munich, Allemagne); Membre du Comité de Programme de la Conférence Internationale : 4th EOS Topical Meeting « Advanced Imaging Techniques » (Jena, Allemagne).

S. Randoux et P. Suret, co-organisateurs (avec N. Mordant Univ. Fourier Grenoble et E. Falcon univ Paris VI) et membres du comité scientifique d'un workshop international « Wave turbulence » organisé à l'Ecole des Houches (25-30 Mars 2012).

D. Dérozier, co-organisateur d'un congrès international franco-libanais intitulé «Premières Journées Franco-Libanaises : la physique et ses interfaces », Lille1, 18 au 21 octobre 2011; co-organisateur d'un congrès international franco-libanais intitulé «Secondes Journées Franco-Libanaises : Avancées de la Recherche et de ses Applications », 22 au 25 octobre 2013.

P. Suret, co-organisateur avec S. Rica d’un minisymposium intitulé « Wave Turbulence : experiments and theory » dans la conférence internationale SIAM « Nonlinear Waves and Coherent Structures” (Seattle, USA, 13-16 Juin 2012); membre du comité de direction de la plateforme d’imagerie BioEmergences (label IBISA) http://bioemergences.iscpif.fr/bioemergences/?page_id=129

M. Lefranc, co-organisateur avec M. Thiel (Aberdeen) d'un mini-symposium « Dynamics in Systems Biology », dans le cadre de la 10th SIAM Conference on Application of Dynamical Systems (Snowbird, Utah, mai 2009).

M. Lefranc, co-organisateur avec M. Thiel (Aberdeen) d'un mini-symposium « Dynamics in Systems Biology », dans le cadre de la 11th SIAM Conference on Application of Dynamical Systems (Snowbird, Utah, mai 2011).

M. Taki et M. Lefranc, D. Hennequin et D. Derozier organisateurs du symposium « Du monde quantique à la dynamique non linéaire”, en l'honneur de Pierre Glorieux, à l'occasion de ses 65 ans (Lille, 8 novembre 2012). Avec la participation de Serge Haroche et Alain Aspect.

Participation à des instances nationales de gestion de la recherche

M. Lefranc, membre nommé de la section 04 du Comité National de la Recherche Scientifique (2012-).

Mikhail Kolobov membre nommé de la section 30 du Conseil National des Universités (2012-).

Participation à des instances locales de gestion de la recherche et responsabilités locales

M. Lefranc, Directeur de la Fédération de Physique et Interfaces de Lille 1, Membre du Conseil Scientifique de l'Université Lille 1 (2007-2008, 2008-2010).

E. Louvergneaux, S. Randoux, responsables du Service des Travaux Pratiques de l'UFR de Physique (EL : 2001-2012, SR : 2012-2013)

P. Suret, Président de la Commission des Etudes de l'UFR de Physique (2011-2013), Membre Elu du CA de l'UFR de Physique (2011-2013), Responsable d'un Parcours de Licence (Concours/Recherche) (2009-2013)

M. Taki, Directeur des Etudes Doctorales (DED) à Ecole Doctorale des Sciences de la Matière, du Rayonnement et de l'Environnement (ED SMRE) depuis 2009, membre élu du vivier des comités de sélection, Section 30, membre élu du CA de l'UFR de Physique depuis 2006

D. Derozier, Directeur du Centre d’Etudes et de Recherches Lasers et Applications : CERLA - Fédération de Recherche Université-CNRS – FR2416 (2004-2010), Directeur Adjoint du Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules, PhLAM - UMR Université-CNRS – UMR8523 (2006-2009), Chargé de Mission Recherche de l’Université des Sciences et Technologies de Lille : « Optique et Lasers, Physico-Chimie, Atmopshère » (2007-2011), porteur et responsable scientifique de ARCUS E2D2 « Energie, Environnement et Développement Durable ». 2013-2017 regroupant 3 universités régionale (Lille1, ULCO, UVHC) et 3 pays : Liban, Maroc et Palestine, Membre élu du Conseil d'Administration de l'Université de Lille 1 (2010- ), Responsable du Master Physique depuis sa création en 2010, porteur de la maquette 2015, Responsable du parcours « Lasers et Applications » du Master Physique 2010-2012.

E. Courtade, Responsable d'un Parcours de Licence Professionnel (Métrologie en Mesures Environnementales et Biologiques) (2010-)

Accueil de professeurs invités

M. Carmen Romano, Université d'Aberdeen (juin 2012), (invité par M. Lefranc).

G. Agrawal, University of Rochester, USA (mai 2010 et mai 2011), (invité par M. Taki)



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N. Akhmediev, Université de Canberra (Australie) (mai-juin 2007 et mai 2008), (invité par M. Taki)

V. Konotop, Université de Lisbonne (mars-avril 2010), (invité par M. Taki)

M. Clerc, Université de Santiago (janvier 09 et plusieurs séjours ensuite), (invité par E. Louvergneaux)

A. Pisarchik Université de Leon (Mexique) (juin 2009, juillet 2010 et 2011), (invité par M. Taki)

V. Brazhny, Université de Porto (juillet 2008), (invité par M. Taki)

U. Blodov, Univiversité de Braga (novembre 2008), (invité par M. Taki)

Yuri Golubev et Tatiana Golubeva, Fock Physics Institute, St. Petersburg State University, (invités par M. Kolobov)

Jean-Marie Ndjaka, Université de Yaoundé1 (Cameroun) 3x1 mois 2011, 2012, 2013 (invité par D. Derozier)

Georges Bou Abboud, Université Libanaise de beyrouth (Liban) 1 mois en 2013(invité par D. Derozier )

Nathalie Bassil, Université Libanaise de Beyrouth 2x1 mois 2010, 2011 (invité par D. Derozier )

Nadine Aboud, Université Libanaise de Beyrouth 1 mois en 2013(invité par D. Derozier )

M. Hosaka, Université de Nagoya (septembre 2013), invité par S. Bielawski

Collaborations G. Agrawal (Univ. of Rochester, USA), N. Akhmediev (Optical Science Group, Canberra, Australia), A. Pisarchik (Centro de Investigationes en optica, Mexico), M. Clerc, C. Falcon, M. Garcia (Departamento de Física, Universidad de Chile, Santiago, Chili), V. Konotop (Centro de Fisica, Université de Lisbonne), V. Brazhny (Dept. Phys. & Astron., Univ. de Porto), A. Vladimirov (Weiers. Instit. for Appl. Analy. and Stoch. (WIAS), Berlin), Ph. Emplit, M. Tlidi, N. Cerf(ULB, Belgique), Patrice Megret (Ecole Polytechnique, Mons, Belgique), C. Montès, S. Residori, U. Bortolozzo (Université de Nice), J. Léon, J. Dorignac et F. Geniet (Université de Montpellier, N. Marsal, D. Wolfersberger, M. Sciamanna, G. Montemezzani (Supelec, Metz), G. Agez (CEMES, Toulouse), R. Gilmore ( Drexel University, Philadelphie), M. Carmen Romano (University of Aberdeen, Royaume-uni), R. Barrio (Universidad de Zaragoza, Espagne), François-Yves Bouget (Observatoire Océanologique de Banyuls/mer), A. Picozzi (Institut Carnot de Bourgogne, Dijon), C. Josserand (Institut JLR d'Alembert, Paris), S. Rica (Laboratoire de Physique Statistique ENS Paris), M. Douay, L. Bigot (Groupe de Photonique PhLAM), E. Berrier (Unité de Catalyse et de Chimie du Solide, Université Lille 1), N. Peyrieras (Institut Alfred Fessard, UPR CNRS, Gif-Sur-Yvette), C. Fabre, N. Treps (Laboratoire Kastler Brossel, Université Pierre et Marie Curie-Paris 6), German J. de Valcarcel (Universitat de Valencia, Spain), A. Gatti (Università dell’Insubria, Como, Italy), Yuri Golubev et Tatiana Golubeva (Fock Physics Institute, St. Petersburg State University), E.Candès (Stanford University, USA), I. El Yazidi-Belkoura (Laboratoire de Glycobiologie structurale et fonctionnelle, Université Lille 1), C. Pierlot et J. M. Aubry (Laboratoire de Chimie Moléculaire et Formulation, Université Lille 1), A. Barras et R. Boukherroub (Institut de Recherche Interdisciplinaire, Université Lille 1), V. Mezger (laboratoire d’épigénétique et de destin cellulaire, Université Paris Diderot), M.-E. Couprie, A. Loulergue, R. Nagaoka, M. Labat, M.-A. Tordeux, Equipe P. Roy (Synchrotron SOLEIL), Equipe M. Katoh (UVSOR, Japon), M. Hosaka, N. Yamamoto (Université Nagoya, Japon), M. Shimada, M. Adachi (KEK Tsukuba, Japon), H.Zen( Université Kyoto, Japon), P. Thoma, J. Raasch, K. Ilin, M. Siegel (Karlsruhe Institute of Technology), N. Joly (Max Planck Institute Erlangen), C. Bruni (Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire), Equipe V. Malka (Laboratoire d'Optique Appliquée, Ecole Polytechnique), E. Lacot, H. G.de Chatellus, O. Hugo (LIPhy, Grenoble), T. Nakagaki (Université d'Hokkaido,Japon), Michel Traisnel (UMET, Unité Matériaux et Transformation, Université de Lille1)

Travaux d'expertise, commissions, conseils, jurys de thèse ou HDR.

M. Kolobov 2009 expert scientifique pour la Commission Européenne dans le cadre du 7ème PCRD.

M. Lefranc, membre du comité de visite AERES du Laboratoire de Physique des Lasers (janvier 2013), au titre du comité national.

D. Dérozier : expertises diverses (Programmes Européens, AERES, Région PACA, Région Rhône-Alpes, AUF, DRRT Nord)

Participation à 30 jurys de thèse en tant que rapporteur ou examinateur, et 4 jurys d'HDR.

Principales visites des membres de l’Equipe en France et à l’Etranger

S Bielawski : 1 mois de professeur invité, à UVSOR en 2010 (Financement JSPS).

C. Szwaj : 2 mois de professeur invité, à UVSOR en 2009 (Financement JSPS).

M. Taki : 1 semaine (02/09) Univ. de Montpellier (Prof. J. Léon); 1 semaine (07/09) Univ. de Lisbonne (Prof. V. Konotop); 2x2 semaines (10/09 et 03/11) Univ. Mexico (Prof. A. Pisarchik, projet ECOS-NORD France-Mexique; 3x2 semaines (12/09, 12/10 et 12/12); 2 semaines, Optical Science Group, Canberra, Australia (sur invitation du Prof. N. Akhmediev, 12/09); 1 semaine (01/10) Univ. de Santiago, Chili (sur invitation du Prof. M. Clerc). 2x2 semaines Univ. Oujda (2012 et 2013) et 1 semaine à l'Uni. de Meknes (2012) (Cours de Master2); 3 semaines (Prof. H. Bahloul, King Fahd University of Petroleum and Minerals, Dhahran, Saudi Arabia 30 Jan-19 Feb, 2012).

E. Louvergneaux : Séjours à l'Université du Chili à Santiago dans le groupe du professeur M. Clerc (Avril 2008, Décembre 2010, Avril 2012).

S. Coulibaly : 3x2 semaines (2010, 2011 et 2012) à l'Université du Chili (Santiago).



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Interactions avec l’environnement social, économique et culturel En plus des éléments mentionnés précédemment dans les faits marquants relatifs à cette rubrique, les activités suivantes sont à mentionner:

Projet NextGenPCF (cf. ci-dessus): Réalisation de lasers Raman à fibre de nouvelle génération en collaboration avec les entreprises Osyris, Multitel et le groupe Photonique du PhLAM

Contrat PhLAM/OSEO/ANVAR/Osyris: réalisation d'une source laser pour l'étude de la mort cellulaire (2007-2008), 47 k€

Fête de la Science, Journée portes ouvertes au CERLA. Lille, Novembre 2008 et 2009 ; (D Derozier)

Organisation de manifestations scientifiques en 2010 : « Les cinquante ans du laser »; (D Derozier)

organisation d'une exposition grand public dans le centre ville de Lille, la « Laser Week » du 18 au 21 novembre 2010 ; (D Derozier)

2.1.2 Présentation des principaux axes de recherche de l'équipe

L'Equipe de dynamique non linéaire du PhLAM trouve ses racines dans les études d'instabilités et de chaos

dans les lasers qui furent initiées au laboratoire il y a maintenant plus de trente ans. Ces travaux partaient du

constat, toujours actuel, que l'étude de la dynamique complexe des systèmes optiques présente un double

avantage. D'une part, un système présentant des oscillations spontanées ou une dynamique erratique nous livre

plus d'informations que s'il était stationnaire, se montre plus “bavard”. L'analyse de ces comportements

“instables” nous permet donc de progresser dans les connaissances des processus physiques à l'œuvre dans un

système optique. D'autre part, les lasers et autres sources optiques présentent à la fois de fortes non linéarités,

des échelles de temps très rapides, et un rapport signal sur bruit souvent excellent. Ils constituent donc des

systèmes de choix pour explorer des dynamiques complexes, et les caractériser de manière approfondie. Les

enseignements qui en sont tirés dépassent largement le cadre de l'optique, puisqu'ils valent pour tous les

systèmes possédant les mêmes non linéarités, qu'ils soient hydrodynamiques, chimiques, électroniques ou encore

biologiques. Il est ainsi frappant de constater que (i) les régimes chaotiques qui surviennent dans la réaction

chimique de Belousov-Zhabotinskii et dans un laser à absorbant saturable sont deux illustrations d'un même

mécanisme dynamique et que (ii) la formation spontanée de structures dissipatives (les plus répandues sont les

rouleaux et les hexagones) dans des systèmes optiques et hydrodynamiques reflète une même brisure de

symétrie spatiale.

La complexité et l'universalité des phénomènes étudiés, dont l'analyse fait appel à des domaines très

divers des mathématiques et qui sont généralement peu étudiés dans les cursus de physique, ont donné à

l'activité de recherche du groupe une signature très originale. Cette activité se caractérise d'abord par un

continuum expériences-théorie-simulation numérique très équilibré, un bon nombre de chercheurs du groupe

menant ces différentes activités de front, et ensuite par une très forte interdisciplinarité. Les recherches des

membres du groupe se connectent ainsi à l'hydrodynamique, à la théorie des probabilités, à la théorie de

l'information, à la mécanique statistique, à la physique des plasmas et des milieux ionisés, et enfin à la biologie,

qui représente une des évolutions importantes du dernier quinquennal. Ce sont ces ingrédients distinctifs qui ont

fait que le groupe, sachant dialoguer avec les mathématiques aussi bien qu'avec d'autres disciplines, a pu jouer

un rôle moteur dans la construction du projet de LABEX “Centre Européen pour les Mathématiques , la Physique

et leurs Interactions” (CEMPI). Il s'y épanouit à la fois dans la thématique A1 “Systèmes complexes en physique

atomique et optique”, où il est impliqué en interaction avec les groupes Atome Froids et Photonique du PhLAM,

et dans l'axe B “Physique et Mathématique pour la Biologie”, assurant la coordination de ces deux thématiques,

sans oublier l'interaction prometteuse entre les thématiques “Fluctuations quantiques” de notre groupe et

“Algèbres d'opérateurs et physique quantique” du LABEX. La mise en place du projet CEMPI a joué un rôle très

positif dans la dynamique de notre groupe, en mettant notamment en relief toutes les synergies possibles entre

les différentes thématiques. C’est ainsi que les premiers mois du LABEX CEMPI (créé en Février 2012) ont vu une

très forte activité d'organisation et de mise en place de structures communes associant les membres des deux

laboratoires Painlevé et PhLAM. Ces structures sont absolument nécessaires pour promouvoir et établir une

collaboration durable. Un groupe de travail de plus de 30 membres des deux laboratoires, intéressé par les

nombreuses applications de l'équation de Schrödinger non linéaire, a été créé. Il y a eu déjà cinq séminaires

(Ch. Besse, S. De Bièvre de Painlevé et JC Garreau, P. Suret et M. Taki de PhLAM) ce qui a conduit à la création

de petits groupes de travail sur des questions spécifiques. Deux autres séminaires ont été donnés par d'éminents



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chercheurs (M. Ochlanyi, University of Massachusetts Boston, USA; L. Khaykovich, Université Bar Ilan, Israël) au

sein de cette structure. Pendant la semaine de la Conférence inaugurale de CEMPI (24-28 Septembre 2012), un

atelier a été organisé où des spécialistes de haut niveau sont venus présenter leurs derniers travaux. Enfin, une

conférence d'une semaine (21-25 Janvier 2013), intitulé «Les systèmes optiques et atomiques non linéaires:

aspects déterministes et stochastiques" a été organisée dans le cadre du semestre thématique de l’année (2012-

2013) qui a mis l'accent sur la dynamique des systèmes non linéaires.

Les racines anciennes d'où notre équipe tire sa culture et son savoir-faire ne l'empêche pas de renouveler

activement ses thématiques et d'explorer des territoires nouveaux, où elle sait mettre à profit son expertise en

dynamique non linéaire et en lasers pour apporter des éclairages originaux et croiser les savoirs. Il est ainsi

remarquable que la plupart des thèmes de recherche qui sont proposés aujourd'hui à l'évaluation étaient encore

dans une phase préliminaire il y cinq ans, et que, sans exception, ils peuvent aujourd'hui se prévaloir de

résultats importants et de faits marquants, qui ont diffusé bien au-delà de l'optique, comme on peut l'attendre

d'une recherche réellement interdisciplinaire.

Les équations de propagation d'ondes non linéaires peuvent engendrer un grand nombre de

comportements complexes et non intuitifs, qu'elles décrivent le comportement d'un système optique ou

hydrodynamique. C'est ainsi qu'une première thématique de recherche de notre groupe concerne les

phénomènes de localisation de la lumière et d'ondes scélérates en optique, sujet de recherche en connexion

directe avec un phénomène océanologique majeur et encore très mal compris, celui des vagues géantes. On a

longtemps cru qu'elles n'existaient que dans l'imagination des marins, mais les observations satellitaires et les

sondes bouées en ont maintenant montré l'existence. C'est ainsi qu'une plateforme pétrolière de la mer du nord

a pu enregistrer une vague de 25 mètres le 1er janvier 1995. Or, la même équation, l'équation de Schrödinger

non linéaire (qui régit aussi les condensats de Bose-Einstein) décrit aussi bien, dans certaines limites, la

propagation d'impulsions dans une fibre optique que celle d'ondes à la surface de l'océan. Il est alors tentant

d'utiliser l'optique, où il est possible de changer tel ou tel paramètre du milieu de propagation, pour analyser et

comprendre la formation de telles vagues (impulsions). L'étude de la formation de structures localisées ou

solitons, en longitudinal ou en transverse, complète naturellement cette thématique.

Outre l’importance des solitons dans de nombreux domaines de la science non linéaire, et en particulier

dans la localisation de la lumière en optique, les collisions entre solitons et leur dynamique complexe jouent un

rôle primordial dans le mécanisme de génération des ondes scélérates en régime fortement non linéaire. Notre

équipe est à la pointe de ce domaine avec une contribution importante et très appréciée nationalement et

internationalement. Un premier résultat marquant, en collaboration avec l’équipe Photonique du PhLAM,

concerne la prédiction et la première observation expérimentale dans une fibre optique à cristal photonique

injectée par un rayonnement continu d'impulsions présentant toutes les caractéristiques des ondes scélérates.

Ces ondes sont engendrées par une instabilité modulationnelle de la solution stationnaire onde plane. L’autre

résultat marquant provient d'une collaboration théorique avec le groupe du Prof. N. Akhmediev (Australie), qui a

établi des solutions analytiques de l'équation de Schrödinger non linéaire reproduisant les caractéristiques

essentielles des ondes scélérates et en particulier la propriété fascinante d’apparaître de nulle part et de

disparaître sans laisser de trace. Ce travail publié en 2009 est en passe de devenir une référence dans le

domaine des ondes scélérates, avec plus de 150 citations.

Le parallèle avec l'hydrodynamique se prolonge dans une deuxième thématique, celle de l'optique non

linéaire incohérente, dont les préoccupations se relient également à la mécanique des plaques, la physique de

l'atmosphère, aux vortex de fluides quantiques, aux ondes de dérive dans les plasmas de fusion ou en

astrophysique. Que se passe-t-il quand un grand nombre d'ondes de fréquences très étalées interagissent entre

elles dans un milieu non linéaire ? Les régimes complexes que l'on observe alors sont généralement désignés sous

le nom de turbulence d'onde, ou encore turbulence faible. Il s'agit d'un domaine très actif où se posent des

questions mathématiques et théoriques fondamentales, comme par exemple l'existence d'un phénomène de

thermalisation : le spectre tend-il vers un spectre d'équilibre du fait des interactions non linéaires redistribuant

l'énergie entre fréquences, et si oui comment ? Un autre phénomène très étudié est celui de la condensation

d'ondes classiques, où une fraction finie de l'énergie se concentre dans un seul mode optique. Cette thématique

a su nouer des collaborations fructueuses avec les meilleurs spécialistes français du domaine, qu'ils soient

mathématiciens ou physiciens théoriciens, et en particulier avec Antonio Picozzi, qui a jeté les bases théoriques

de l'optique non linéaire incohérente. C'est notamment en collaboration avec lui que l'équipe a mis en évid ence



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expérimentalement le phénomène de thermalisation anormale, où des symétries cachées du système engendrent

des obstructions à la thermalisation.

C'est à un autre type de complexité que s'attaque le groupe « Optique et Information Quantique », dont

les travaux concernent l’imagerie quantique et l’optique quantique multimode. Plus précisément, l’équipe

s'intéresse aux limites ultimes qui contraignent le codage, la transmission et l'extraction de l'information par des

faisceaux optiques à grand nombre de modes (spatiaux et/ou temporels). Ces limites sont naturellement fixées

par le bruit quantique, limite qui peut toutefois être dépassée en maîtrisant les fluctuations quantiques. Par

ailleurs, un des problèmes fondamentaux de l'information quantique est de comprendre les propriétés

fondamentales de l'intrication quantique et de les exploiter en réalisant des tâches inaccessibles aux protocoles

classiques de traitement de l'information. Dans ce cadre, les systèmes fortement multimodes pourraient

permettre d'implémenter des réseaux de communication quantique, des protocoles de cryptographie pour la

distribution sécurisée d'une clé ou d'augmenter le débit de l'échange d'information. Après avoir été la première à

introduire les concepts de compression locale du bruit quantique et d'intrication locale, l'équipe a fait évoluer

ses activités en collaboration avec l'équipe d'Information Quantique de Bruxelles dirigée par Nicolas Cerf, en

s'intéressant notamment à la compréhension et la caractérisation des propriétés fondamentales de l'intrication

entre plusieurs parties au moyen du formalisme des invariants symplectiques. La synthèse entre ces deux

thématiques a naturellement conduit à la formulation d'une théorie de l'intrication multipartite tenant compte

des degrés de liberté spatiaux. L'équipe a participé activement de 2008 à 2011 au projet européen FP7 HIDEAS,

en collaboration avec d'autres groupes théoriques et expérimentaux s'intéressant également aux propriétés

quantiques des systèmes multimodes.

Le groupe “Sources de rayonnement cohérent sur accélérateurs”, a continué de faire évoluer ses activités

vers l'étude de la dynamique de systèmes qui étaient jusqu'ici peu familiers au laboratoire, à savoir les

accélérateurs de particules utilisés comme sources de rayonnement, lasers à électrons libres (LEL) ou autres. Il a

su tirer parti de son expertise en dynamique non linéaire et systèmes optiques, que ce soit sur les plans

expérimental, théorique ou numérique, pour apporter une culture nouvelle dans ce domaine et contribuer à des

innovations de rupture. L'originalité des approches développées et leur impact sont attestés par une

reconnaissance importante de la communauté des sources sur accélérateur, au travers de conférences invitées

et en particulier par la mise à disposition totale de gros instruments tels que les synchrotrons SOLEIL en France

ou UVSOR au Japon pour des expériences de développement. Au cours de la période, les activités du groupe ont

progressivement évolué de la physique des LEL à cavité, conceptuellement plus proches des lasers

conventionnels vers la génération de rayonnement THz cohérent sur anneau de stockage, dont il faut rappeler

qu'on lui doit la première observation mondiale dans le cadre d'une collaboration franco-japonaise, et vers la

dynamique des LEL simple passage. Une première approche, qu'on pourrait assimiler à de l'optique non linéaire

dans les paquets d'électrons, utilise l'interaction laser-faisceau pour engendrer les microstructurations des

paquets à la source de l'émission. Une autre approche très élégante consiste à exploiter une instabilité naturelle

des paquets d'électrons pour engendrer ces microstructurations, la maîtrise de cette instabilité permettant par

ailleurs de grandement améliorer la génération conventionnelle de rayonnement synchrotron. Le groupe est

actuellement activement engagé dans la conception d'un ambitieux projet de LEL français VUV/X, en

collaboration avec le SOLEIL, le LOA, l'ESRF, qui devrait mener dans un premier temps à la réalisation d'un LEL

ultra-compact sur accélérateur plasma. Un autre fait marquant de ce thème est la publication d'un article

démontrant l'équivalence entre LEL en cavité et lasers conventionnels, article accompagné d'un synopsis dans la

revue Physics.

C'est la même compétence en dynamique non linéaire qui a amené une autre partie de l'équipe vers un

domaine a priori très différent, celui des réseaux de régulation et de signalisation qui sont au cœur du

fonctionnement de nos cellules. Au sein de ces réseaux de réactions biochimiques, gènes et protéines

interagissent de manière extrêmement dynamique pour maintenir les conditions nécessaires à la vie, y compris

sa reproduction, et engendrer les réponses appropriées à un environnement changeant. Cette évolution

thématique a été motivée d'une part par le fait que des comportements fortement non linéaires, tels que

bistabilité ou oscillations auto-entretenues, sont des ingrédients-clés de cette dynamique moléculaire, d'autre

part par le développement d'approches expérimentales qui autorisent son suivi en temps réel dans des cellules

vivantes, ouvrant la porte à des modélisations quantitatives.



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Le groupe “Dynamique des réseaux biologiques”, dont les activités sont théoriques mais en contact étroit

avec les expériences, s'est tout d'abord intéressé aux horloges biologiques qui rythment nos jours et nos nuits.

Ces horloges constituent des exemples très intéressants d'oscillateurs génétiques qui se synchronisent avec les

alternances d'éclairement et d'obscurité pour nous donner une mesure interne du temps. En collaboration avec

l'Observatoire Océanologique de Banyuls/mer, station marine de l'UMPC, le groupe a obtenu par la modélisation

et l'analyse de données expérimentales des résultats marquants concernant la robustesse de ces horloges aux

fluctuations d'éclairement, fluctuations qui résultent à la fois des aléas météorologiques et des variations

saisonnières. Cette avancée, qui n'aurait pas été possible sans une connaissance solide de la physique des

oscillateurs non linéaires, a été notamment mentionnée dans le rapport scientifique 2010 du CNRS comme une

des avancées de l'année en génomique. Ces premiers succès ont permis de diversifier l'activité, et notamment de

développer de nouvelles collaborations sur les horloges avec l'Institut Pasteur de Lille, sur l'étude des couplages

entre horloge et métabolisme dans le domaine de la santé humaine, ainsi qu'avec l'Institut de Physique

Théorique de la KU Leuven. En parallèle avec des études théoriques concernant de petits réseaux de régulation

modèles, les thématiques de recherche se sont également ouvertes à l'étude du cycle cellulaire, grâce au

recrutement d'un Chargé de Recherche CNRS, ainsi qu'à celle du stress cellulaire, en apportant les compétences

de modélisation aux projets de l'autre groupe de l'équipe travaillant à l'interface avec la biologie.

Celui-ci, intitulé “Dynamique du stress en cellules vivantes”, s'est engagé depuis 2006 dans un ambitieux

projet de construction d'une plateforme expérimentale permettant d'étudier en toute autonomie des processus

de réponse cellulaire en temps réel dans des cellules vivantes, de la microscopie à la culture cellulaire. Parti de

l'observation d'effets surprenants induits sur des cellules par un rayonnement laser à 1270 nm (laser élaboré en

collaboration avec la thématique Optique non linéaire incohérente), ce groupe a lui aussi pleinement transformé

l'essai. Il a en effet pu démontrer sans ambigüité que l'irradiation à cette longueur d'onde, en induisant la

production d'oxygène singulet, une espèce très réactive de l'oxygène, active des voies de signalisation cellulaires

de réponse au stress oxydant, une source majeure d'agression pour la cellule. Cette réponse enclenche ensuite

de manière irréversible des processus de mort cellulaire, même à faible niveau. L'intérêt de ce résultat

marquant, qui a fait la couverture de la revue Photochemistry Photobiology et a été salué par un communiqué

de presse du CNRS, est non seulement fondamental mais également thérapeutique. Il ouvre en effet la voie à de

nouveaux traitements de cancers par photothérapie dynamique, ne nécessitant pas le recours à des agents

photosensibilisants coûteux et dont l'emploi est gênant pour le patient. L'expérience acquise dans le domaine du

stress oxydant a permis d'étendre les activités du groupe à l'étude de la réponse à un stress thermique, ce qui

permet d'étudier non seulement une autre voie de signalisation cellulaire, mais également la cinétique

d'activation de gènes en réponse au stress. Le groupe apporte une contribution unique à l'étude de cette

question importante par sa maîtrise de l'optique, qui lui permet de contrôler parfaitement les distributions

temporelle et spatiale du choc thermique, et de mettre à jour des processus dynamiques qui avaient été jusque

là totalement estompés. Le volet modélisation de ce deuxième projet s'effectue en collaboration avec le groupe

“Dynamique des réseaux biologiques”, tirant ainsi parti de la complémentarité des expertises. Les compétences

développées dans le domaine de la lumière pour le vivant ont par ailleurs mené récemment à un important

contrat industriel. Enfin, P. Suret, S. Randoux et E. Courtade ont tissé des liens privilégiés avec le groupe de N.

Peyrérias à l’institut Feyssard, UPR CNRS à Gif-Sur-Yvette, qui est en pointe dans le domaine du développement

embryonnaire chez Zebrafish. Un certain nombre de publications de premier plan résultant de cette

collaboration sont actuellement en préparation.

Pour conclure, il faut mentionner un certain nombre d'activités de recherche et de résultats qui, si ils ne

se rattachent pas directement aux thèmes principaux développés plus haut, ont eux aussi trait à la lumière

et/ou à la dynamique non linéaire, ainsi qu'à leurs applications, et résultent d'activités anciennes ou de

collaborations.

Ainsi, deux professeurs émérites participent de manière importante à l'activité de l'équipe par leurs

travaux dans le domaine de la lumière lente ou rapide et des précurseurs optiques (8 publications depuis 2008).

Ils s'intéressent notamment aux effets apparemment supraluminiques engendrés par des interférences

d'impulsions et ont contribué à clarifier significativement l'interprétation d'expériences réalisées dans d'autres

laboratoires. Ils ont également montré qu'une saturation d'absorption pouvait mener à des phénomènes

analogues à la lumière lente, tout en étant différents. Ils ont établi de nouvelles solutions analytiques de

précurseurs de Brillouin-Sommerfeld et étudié leur évolution. Deux autres projets, qui ont trait à des

applications des lasers et de la dynamique non linéaire, sont actuellement élaborés par des membres de l'équipe



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occupant ou ayant occupé d'importantes responsabilités administratives ou entrepreneuria les. Le premier

concerne la fonctionnalisation de matériaux par irradiation laser, et fait suite à des travaux précédemment

menés dans le domaine des biomatériaux. Il vise au développement de géotextiles dépolluants pour le

traitement de sédiments de dragage pollués par des métaux lourds, et vise plus généralement à la mise au point

d'une méthodologie de conception de géotextiles fonctionnalisés. Des effets dynamiques peuvent être observés

dans ce contexte, comme notamment l'apparition de structures spatia les dans le traitement de surface. L’autre

projet propose d’appliquer les outils de la dynamique des systèmes non linéaires à l’étude des géo -matériaux. Il

s’appuie sur une collaboration entre le PhLAM et le laboratoire LGCgE (Laboratoire Génie Civil et géo-

Environnement de l’université de Lille) où deux sujets sont à l'étude. Le premier concerne l’étude des

instabilités des talus sous chargement sismique et le second traite de la fracturation des roches lorsque celles -

ci sont soumises à une élévation de température.

Mentionnons quelques travaux menés par des membres de l'équipe en marge de leur activité principale, et

ayant mené à des résultats importants figurant dans la liste de publications. Ils concernent par exemple la

dynamique des oscillateurs paramétriques optiques (1 PRL), les bandes interdites et la génération de fonctions

de Bloch dissipatives dans des amplificateurs paramétriques optiques avec modulation de l’indice de réfraction

(2 Opt. Lett.), les solitons de « gap » et la supratransmission dans des milieux quadratiques (1 PRL distingué, 1

PRA) ou enfin la seconde édition d'un ouvrage sur les méthodes topologiques d'analyse du chaos, qui est la

référence du domaine.

A noter, pour finir, qu’il existe aussi des interactions entre les différents groupes au sein de l’Equipe.

Notamment des travaux aboutis entre les groupes des Thématiques 1 et 3 sur le rôle des fluctuations quantiques

dans la formation des ondes scélérates (voir liste de publications). Une autre connexion entre les groupes des

thématiques 1 et 2 est en cours de développement au sein du Projet ANR OptiRoc sur la problématique de la

turbulence des ondes et la génération d’ondes scélérates dans des cavités optiques (ondes scélérates

dissipative). Enfin, un projet commun est déjà mis à jour alliant l’expertise théorique et expérimentale dans les

systèmes biologiques des thématiques 5 et 6.

2.1.3 Thématique 1 : Localisation de la lumière et ondes scélérates en optique

A - Modélisation et génération d'ondes scélérates dans les systèmes à fibre optique: de l'hydrodynamique à l'optique (Rogue waves: from hydrodynamics to optics) Permanents : S. Coulibaly, E. Louvergneaux, M. Taki, M. Kolobov, en étroite collaboration avec l’Equipe Photonique du PhLAM; Doctorants : Zheng Liu

De récentes observations et mesures océaniques ont montré que la probabilité de rencontrer une vague

gigantesque en plein milieu de l'océan est plus importante que celle prédite par les modèles statistiques

classiques. Même si de nombreux efforts ont été consentis pour comprendre et prédire l'avènement de ces

phénomènes potentiellement destructeurs, de nombreuses zones d'ombres subsistent. Une avancée majeure a

été récemment apportée à ce sujet très complexe dans la Réf. [D. R. Sulli et al., Nature, 450, 1054-1058, 2007].

Les auteurs ont démontré qu'une comparaison directe pouvait être effectuée entre ces gigantesques ondes

hydrauliques et des ondes optiques particulières, très puissantes, se propageant dans des fibres optiques. Ces

ondes solitaires résultent de la compensation de la dispersion de la fibre optique par sa non linéarité. Elles

possèdent des caractéristiques proches de celles des solitons optiques qui sont capables de se déplacer sur

d'importantes distances sans se déformer.

Il est donc désormais possible d'étudier les propriétés de ces vagues de plusieurs dizaines de mètres de

hauteur au sein même d'un laboratoire d'optique... Dans ce cadre, et en collaboration avec l’Equipe Photonique

de PhLAM, nous avons prédit et généré expérimentalement des ondes scélérates dans une fibre à cristal

photonique, pour la première fois à partir d'un pompage en onde plane [1, 2]. D'un point de vue plus

fondamental nous avons proposé, en collaboration avec le Prof. N. Akhmediev (Canberra, Australie), les

solutions analytiques [3], connues à ce jour, qui présentent les signatures fondamentales des ondes scélérates

(brièveté, amplitude anormalement grande). Ce travail [3] qui a été publié en 2009 est une contribution

majeure dans le domaine des ondes scélérates (rogues waves) ; il est en passe de devenir une référence dans ce

domaine (plus de 150 citations).



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Cependant, les conditions nécessaires pour la génération des ondes scélérates, le mécanisme de

formation de ces ondes géantes, le rôle du bruit (ou de l'environnement) à l'origine de leur formation sont

autant de questions ouvertes qui constituent aujourd'hui, sur le plan international, une activité de recherche

attractive, innovante et interdisciplinaire mais aussi soumise à une rude compétition internationale.

En effet, la présence du bruit dans les conditions initiales joue un rôle de premier plan dans la mise en

route du processus d'instabilité et nécessite une approche statistique, en plus de l'approche dynamique. Une

méthode statistique en termes de fonction de densité de probabilité a été développée afin de répondre à une

question importante portant sur la fréquence d'apparition des ondes scélérates dont la statistique s’écarte

des formes gaussiennes et prend une forme en L caractéristique des évènements rares et extrêmes. Cet te

méthode a été appliquée avec succès à un laser à fibre dopée à l’erbium. Des résultats marquants sont

obtenus et ont été publiés très récemment [4]. Cette étude a été menée dans le cadre d’une collaboration

France-Mexique ECOS-Nord action N° M08P02 (2009-2012).

Cette activité de recherche sur les ondes scélérates a pris, les cinq dernières années (depuis 2007), une

ampleur considérable sur le plan international. Dans ce contexte, les équipes de Lille, Dijon, Besançon, Nice et

LPN à Marcoussis se sont regroupées dans le projet ANR « OptiRoc » (2013-2016). Nos objectifs dans les années à

venir sont de (i) mettre au point des systèmes de cavités optiques non linéaires spécifiques où la dynamique

complexe peut être contrôlée, (ii) développer des modèles permettant la compréhension théorique et la

démonstration expérimentale de régimes dynamiques pour lesquels les structures localisées très intenses

présentant signatures d'événements rares et extrêmes peuvent être générés et contrôlés.

Figure de gauche extraite de [2] : onde scélérate (en rouge) générée dans une fibre optique microstructurée (travail en collaboration avec l’Equipe Photonique du PhLAM). Figure de droite extraite de [4] montrant une onde scélérate générée dans un laser à fibre dopée à l’erbium (onde scélérate dissipative).

[1] Observation of extreme temporal events in CW-pumped supercontinuum, A. Mussot, A. Kudlinski, M. Kolobov, E. Louvergneaux, M. Douay and M. Taki, Opt. Exp. 17 (19), 17010 (2009). [2] Third-order dispersion for generating optical rogue solitons, M. Taki, A. Mussot, A. Kudlinski, E. Louvergneaux, M. Kolobov, M. Douay, Phys. Lett. A 374, 691-695 (2010) [3] Waves that appear from nowhere and disappear without a trace, N. Akhmediev, A. Ankiewicz, and M. Taki, Physics Letters A373, 675 (2009) [4] Rogue Waves in a Multistable System, Alexander N. Pisarchik, Rider Jaimes-Reategui, Ricardo Sevilla Escoboza, and G. Huerta-Cuellar and Majid Taki, Phys. Rev. Lett. 107, 274101 (2011) B - Localisation de la lumière : solitons dissipatifs, évènements rares et extrêmes Permanents : S. Coulibaly, E. Louvergneaux, M. Kolobov, M. Taki Doctorants : V. Odent (actuellement en Post-doc au Chili)

Actuellement les structures localisées, souvent appelées solitons optiques, constituent un sujet de

recherche très attractif non seulement pour la richesse de leurs dynamique non linéaire mais aussi parce qu’ils

sont d’excellents candidats aux applications futures de génération d’unités de stockage d’information tout

optique. Parmi les systèmes optiques non linéaires, le résonateur Kerr passif a été largement étudié

théoriquement et numériquement par notre groupe mais aussi par plusieurs groupes dans le monde comme un

prototype idéal dans la génération de structures transverses. Plusieurs types de structures ont été prédits, tels

que les rouleaux (franges d’interférences non linéaires), hexagones et les solitons dissipatifs. Dans ce cadre,

nous avons mis en évidence, pour la première fois, expérimentalement des solitons dissipatifs spatiaux dans une

cavité Kerr passive de type Fabry-Pérot contenant un échantillon cristal liquide nématique. Deux régimes de



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fonctionnement ont été étudiés : le régime de l'instabilité de Turing où des États périodiques ont été observés et

un régime de bistabilité où nous avons observé des solitons spatiaux stables avec des rebonds sur leurs ailles.

Forts de ces résultats marquants, nous avons poursuivi notre étude ce qui nous a permis d’observer

expérimentalement des solitons multiples sous la forme soit de trois solitons indépendants ou d'un soliton

complexe composé de deux solitons verrouillés (Odent et al. New J. Phys. 2011 ; cf aussi liste de publications).

Un autre résultat marquant est l’observation d’évènements rares et extrêmes sous forme de pics localisés

anormalement intenses et de courte durée mais cette fois dans une configuration de boucle de rétroaction

optique (un seul miroir) à une dimension spatial contenant un milieu Kerr. L’apparition de ces pics est

fortement liée à la génération de continuum de fréquences spatiales dans un régime fortement non linéaire et

chaotique. Une étude détaillée (statistiques non Gaussienne, brièveté, amplitude anormalement Grande) des

caractéristiques de ces pics d’intensités montrent qu’il vérifient les propriétés et signatures des ondes

scélérates.

Les expériences décrites ci-dessus peuvent facilement être étendues à la configuration 2D et des études

expérimentales, théoriques et numériques aussi bien sur l’existence, la stabilité et la dynamique des solitons 2D

que sur la formation d’ondes scélérates sont menées actuellement dans le cadre du projet ANR blanc

international « COLORS » coordonné par E. Louvergneaux (partenaires : Chili, INLN Nice et le PhLAM).

2.1.4 Thématique 2 : Optique non linéaire incohérente Permanents : S. Randoux, P. Suret Doctorants : N. Dalloz, P. Walczak

Entre Janvier 2008 et Juin 2013, les travaux de l'équipe ont porté sur l'étude la propagation non linéaire

d'ondes incohérentes dans des systèmes optiques dissipatifs (lasers Raman à fibre) et conservatifs (simple

propagation dans les fibres). Nos travaux participent à l'émergence récente du domaine de l'optique statistique

en régime non linéaire. Ils se sont enrichis d'une collaboration active avec Antonio Picozzi de l'Université de

Bourgogne. Nous abordons l'analyse de la propagation non linéaire des ondes incohérentes dans les systèmes

optiques dissipatifs et conservatifs grâce à des outils venant de la Physique statistique et de la turbulence

d'ondes.

A - Systèmes dissipatifs : Physique des lasers Raman à fibre.

Dans les lasers Raman à fibre, la cavité est typiquement constituée d'une fibre longue d'un kilomètre

(intervalle spectral libre de l'ordre de 100 kHz) et le spectre optique du laser s'étend typiquement sur plusieurs

centaines de GHz. Sur le plan conceptuel, le laser Raman à fibre est donc un système dissipatif très fortement

multimode. Contrairement à un laser à modes bloqués, les modes longitudinaux du laser Raman ne sont pas

verrouillés en phase. La dynamique du système est de ce fait très complexe et peut être apparentée par certains

aspects à la turbulence d'ondes. Certains des travaux entrepris sur la période 2008-2013 portent sur l'étude de la

dynamique globale lente (i.e. sur des échelles de temps lentes devant le temps de transit T R des photons dans la

cavité) de l'ensemble de tous les modes. Au contraire, d'autres travaux effectués entre 2008 et 2013 visent à

comprendre et à décrire l'évolution du système sur des échelles de temps courtes devant T R. Dans ce cas, on

s'intéresse de manière privilégiée au spectre optique du laser et à son évolution dans la cavité. Dans les

développements les plus récents, nous avons également étudié les aspects statistiques associés à la génération

de l'onde Stokes dans la cavité laser.

Lasers Raman à fibres microstructurées : Dans le cadre du contrat Européen NextGenPCF, en collaboration

avec le groupe de Photonique du PhLAM et avec Draka, nous avons étudié le comportement dynamique de lasers

Raman à fibres microstructurées. Dans ces fibres très non linéaires, le gain est suffisamment élevé pour réaliser

une cavité laser fonctionnant à partir des réflexions de Fresnel en bout de fibre. La surtension de la cavité est

alors extrêmement faible et le laser présente des instabilités lorsqu'il génère plus d'une composante Stokes.

Grâce au savoir-faire en matière de réalisation de miroirs de Bragg du groupe de Photonique, nous avons par

ailleurs réalisé des lasers Raman à fibres microstructurées oscillant dans des cavités Pérot-Fabry fermées par

miroirs photoinscrits. Il est à noter que nous avons également réalisé un laser Raman en anneau dont

l'accordabilité autour de 1270 nm s'est avérée déterminante dans la démonstration du fait qu'il est possible de

générer de l'oxygène singulet dans les cellules vivantes par seule irradiation laser sans utilisation de substance

photosensibilisante (cf projets d'Emmanuel Courtade).



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Propriétés spectrales et statistiques des lasers Raman à fibre : Dans le cadre de la thèse de N. Dalloz,

nous nous sommes intéressés à l'évolution dans la cavité laser du spectre optique de l'onde Stokes. Lorsque le

laser oscille près du seuil, nous avons observé un spectre asymétrique dont l'existence est apriori surprenante

compte tenu du fait que le spectre se construit dans une région où le produit des pertes et du gain est lui

symétrique. L'origine de ce comportement provient d'effets forts de dispersion lors de la réflexion de la lumière

sur les miroirs de Bragg. A puissance de pompe plus élevée (typiquement 10 fois la puissance seuil), le spectre

du laser est symétrique et nous avons montré expérimentalement que celui-ci s'étale lors de sa propagation dans

la fibre pour être périodiquement filtré par les miroirs de Bragg situés en bouts de fibre. Les simulations

numériques montrent par ailleurs que la propagation dans la fibre s'accompagne d'une d istorsion forte de la

distribution statistique du champ qui redevient cependant gaussienne après réflexion sur les miroirs de Bragg.

Par ailleurs, de récentes expériences de filtrage optique nous ont permis de mettre en évidence l'existence

d'une différence entre les propriétés statistiques du rayonnement produit dans le centre ou dans les ailes du

spectre optique du laser.

B - Systèmes conservatifs : simple propagation dans les fibres

La propagation non linéaire d'ondes incohérentes peut également être étudiée dans des systèmes

conservatifs. La cavité laser est alors supprimé et on s'intéresse à la propagation non linéaire d'ondes

incohérentes effectuant un simple passage dans une fibre optique. De manière générale, les effets de

propagation sont décrits par des équations de type Schrödinger non linéaire qui peuvent, selon le système

d'ondes considéré, être intégrables ou pas. Dans le cadre d'une collaboration avec Antonio Picozzi, nous avons

étudié expérimentalement et théoriquement la propagation non linéaire d'ondes incohérentes dans divers

systèmes d'ondes unidimensionnels. Pour certains systèmes d'ondes non intégrables, nous avons mis en évidence

un nouveau processus thermodynamique dit de « thermalisation anormale ». Par ailleurs, nous avons revisité le

traitement traditionnel effectué en turbulence d'ondes pour décrire la propagation des ondes dans un système

intégrable (équation de Schrödinger non linéaire à une dimension) et nous avons montré qu'il permet de décrire

quantitativement la propagation en régime faiblement non linéaire.

Thermalisation anormale : Contrairement à l'effet de thermalisation conventionnel qui se caractérise par

une évolution irréversible de l'onde vers un état d'équilibre thermodynamique, nous avons montré

expérimentalement et théoriquement que les ondes peuvent relaxer vers un état d'équilibre « local »qui viole la

propriété d'équipartition de l'énergie. La théorie de la turbulence faible a révélé que cet effet de thermalisation

anormal trouve son origine dans l'existence de résonances spatiotemporelles dégénérées du système non

linéaire. Une nouvelle famille de solutions d'équilibre a ainsi été mise en évidence pour des systèmes d'ondes

non intégrables (par exemple un système de 2 ondes de polarisations orthogonales ayant des dispersions de

vitesse de groupe différentes ou une onde incohérente de polarisation donnée subissant des effets de dispersion

d'ordre deux et trois).

Relaxation d'un système intégrable : Le traitement traditionnel de la théorie de la turbulence d'ondes est

généralement considéré comme inapproprié pour l'étude de systèmes intégrables. Cependant, nous avons

revisité certains aspects de cette approche pour décrire l'évolution d'une onde optique dans un guide d'onde

monomode, système décrit par l'équation de Schrödinger intégrable. En dépit de l'intégrabilité, la dynamique

révèle l'existence d'un effet de relaxation vers un état statistiquement stationnaire, caractérisé par des

oscillations amorties des ailes du spectre. Cet effet de relaxation inattendu est décrit par la théorie cinétique

des ondes et a été partiellement observé dans les expériences.

2.1.5 Thématique 3 : Fluctuations quantiques Permanents : G. Patera et M. Kolobov Doctorants : H. Wang (cotutelle Shanghai), M. Saigin (cotutelle Moscou)

A - Projet Européen HIDEAS (2008-2011)

En 2008 l’équipe Optique et Information Quantique avec six autres équipes européennes ont obtenu le

financement pour trois ans (2008-2011) du projet HIDEAS (High Dimensional Entangled Systems) dans le cadre du

septième programme-cadre pour la recherche et développement (7ème PCRD) de la Commission Européenne. Le

projet HIDEAS cherche à exploiter les états quantiques intriqués du champ optique avec un très grand nombre de



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degrés de liberté afin d’augmenter la capacité du stockage et de la transmission de l’information dans les

communications, l’imagerie et la métrologie quantiques.

Le projet HIDEAS a été, dans sa session, un des huit projets STREP (Specific Targeted Research Projects)

dans le domaine des technologies futures et émergeantes (Future and Emerging Technologies), sélectionnés

parmi plus de cent projets déposés à la Commission Européenne. Ce projet a un budget de 2 millions d’Euro avec

un budget pour notre équipe de 180 000 Euros. Dans le cadre de ce projet nous avons travaillé sur les études

théoriques d’intrication multipartite temporelle et spatiale ainsi que sur les études des capacités quantiques de

stockage des mémoires quantiques multimodales dits « quantum holograms ».

B - Projet ANR NATIF (2009-2012)

Notre équipe a participé également au projet ANR NATIF (Nouvelles nanosources laser à émission

spontanée et stimulée contrôlées pour la réduction du bruit d’intensité et de fréquence). Ce projet étudie le

bruit dans des sources laser semi-conductrices novatrices présentant de faibles bruits d’intensité et de

fréquence. Ces lasers sont des nanolasers à émission spontanée contrôlée, dans lesquels le couplage de

l’émission spontanée au mode laser est grand. La théorie de tels nanolasers prédit une diminution impo rtante

des oscillations de relaxation et donc une forte diminution du bruit d’intensité relatif. De plus, de telles

nanosources présentent une statistique de photons originale au niveau du seuil, que nous analyserons.

En parallèle, un second système étudié par le projet a été les VCSELs (mono ou bi-fréquence), qui

constituent une source laser semi-conductrice de choix pour l’étude du bruit d’intensité et de fréquence : les

VCSELs, à la différence des lasers semi-conducteurs standards, peuvent passer d’une dynamique de classe B à

une dynamique de classe A et permettent donc de suivre continuellement l’évolution du bruit entre les deux

modes de fonctionnement.

La compréhension et mise en œuvre de telles sources permettront de proposer des solutions

technologiques nouvelles dans l’ingénierie de lasers semi-conducteurs à bas bruit indispensables pour des

applications telles que la photonique micro-onde, la métrologie ou la spectroscopie de précision. De plus, la

compréhension et le contrôle du signal optique délivré par les nanolasers, en particulier en termes de bruit, sont

des éléments clés dans un contexte de miniaturisation des sources à l’échelle nanométrique. De plus, la

réalisation de ces sources requiert le développement de procédés de nanofabrication de pointe (épitaxie du

milieu à gain, gravure de cristaux photoniques) dont les retombées couvrent un large spectre.

Le projet NATIF rassemble trois équipes expérimentales avec une expertise mondialement reconnue dans

ce domaine, avec notre équipe théorique qui a été responsable du développement de la théorie des nanolasers

et des VCSELs.

C - Projet « Quantum Limits in Compressed Sensing » avec l’université de Stanford

Dans ce projet, en collaboration avec le Professeur Emmanuel Candès du Département de Statistique,

Université de Stanford, nous comptons établir théoriquement les limites quantiques pour une technique moderne

de traitement d’information appelée « Compressed Sensing » (CS). E. Candès est l’un des créateurs du concept

de CS. Ce projet est d’une nature interdisciplinaire entre l’optique quantique et les mathématiques. Il y a un

énorme intérêt pour la technique CS aujourd’hui à cause de sa capacité de compression de la quantité

d’information dans le monde moderne. La question des limites ultimes de CS est donc très importante aussi bien

pour les raisons fondamentales que pour les applications. En 2012 Mikhail Kolobov a obtenu un congé de

recherche et conversion thématique pour six mois (du février au juillet) afin de commencer les projets de

recherche avec l’Université de Stanford. Il a également obtenu une prestigieuse bourse Fulbright du

Département d’Etat des Etats-Unis pour passer six mois comme professeur invité dans l’équipe du professeur

Emmanuel Candès. Pendant ce séjour à Stanford M. Kolobov a travaillé avec des chercheurs du Département de

Mathématique sur la théorie de CS et avec des chercheurs du Département de Physique Appliquée et du

laboratoire Ginzton sur la théorie des nanolasers et sur les effets quantiques dans les oscillateurs paramétriques

optiques. Après son retour à Lille nous avons déposé un projet de collaboration pour l’année 2013-2014 dans le

France-Stanford Center for Interdisciplinary Studies afin de pouvoir créer des échanges d’étudiants avec cette

prestigieuse université. Ces échanges peuvent être facilités dans le cadre du nouveau Labex CEMPI entre notre

laboratoire PHLAM et le Laboratoire Painlevé du Département de Mathématiques de Lille 1.



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D - Autres projets

Notre équipe participe à des projets en collaboration avec d’autres équipes du laboratoire PhLAM. Nous

travaillons ensemble avec l’équipe de photonique (responsable M. Bouazaoui) et l’équipe de dynamique non

linéaire des systèmes optiques (responsable M. Taki) sur les études théoriques et expérimentales des instabilités

modulationnelles dans les fibres optiques qui sont à l’origine de génération d’impulsions de la lumière dans les

fibres avec un spectre extra large, connus comme le supercontinuum. A présent le supercontinuum est très

largement étudié parce qu’il semble expliquer l’apparence des « rogue waves » optiques. Ces impulsions rares et

très puissantes avec des amplitudes dépassant plusieurs fois les valeurs moyennes d’inten sité, sont considérées

comme des analogues optiques des ondes dévastatrices dans les océans. Les « rogue waves » optiques sont

générées à partir du bruit et nous comptons d’utiliser notre savoir-faire dans le domaine des fluctuations

optiques pour mieux comprendre l’origine de ces impulsions géantes.

2.1.6 Thématique 4 : Dynamique non linéaire des sources de rayonnement cohérent sur accélérateur Participants : S. Bielawski, Ch. Szwaj, C. Evain Doctorants: C. Evain, E. Roussel

Cette thématique, démarrée en 2003, a connu une évolution importante ces dernières années.

Historiquement, le groupe de dynamique non linéaire possède (depuis les années 80) une culture et un savoir-

faire importants en dynamique des lasers (études des instabilités, contrôle, modélisation, réalisation de codes

de calculs, etc.). Le début de l'activité « sources sur accélérateur » a ainsi naturellement concerné l'étude et le

contrôle de la dynamique de lasers à électrons libres qui sont conceptuellement très proches des lasers

rencontrés habituellement en optique classique (les lasers à électrons libres ou LEL dits « oscillateurs »). La

stratégie était de transposer de façon assez directe notre savoir-faire, tout en étendant notre champ d'action à

cette nouvelle thématique. Ces travaux étaient effectués principalement en collaboration avec UVSOR (Japon)

et Synchrotron SOLEIL (France). Les résultats marquants concernent en particulier le contrôle des instabilités

dans les LEL oscillateurs, ainsi que la mise en évidence d'une équivalence formelle entre les LELs oscillateurs et

les lasers classiques à blocage de modes actifs.

Lors des collaborations avec UVSOR et SOLEIL, nous avons ensuite identifié deux nouvelles thématiques

concernant le développement de sources de nouvelle génération, et pour lesquelles le groupe possède une

compétence (en modélisation, calcul numérique, optique, et dynamique non linéaire). Il s'agit essentiellement

du rayonnement synchrotron cohérent THz (CSR) ainsi que des lasers à électrons libres à courte longueur d'onde

(VUV/X) dits de 4e et 5e génération, ou 4G et 5G. Ces deux thématiques font l'objet d'une concurrence

internationale forte dans les pays développés. Diverses machines de test sont activement étudiées et

développées, et plusieurs LELs sont disponibles pour les utilisateurs: deux LELs en Italie (SPARC et FERMI), un

Allemagne (FLASH), un en Suède (MAX IV), deux au Japon (SCSS et SACLA), 2 aux USA (LCLS et NLCTA), un en

Chine (SDUV), ainsi que des LELs financés et en cours de construction en Allemagne, en Suisse, en Corée, en

Chine, etc. En ce qui concerne le CSR, l'état de la compétition est semblable, mais une étude expérimentale est

actuellement possible en France (au Synchrotron SOLEIL). Le glissement vers ces thématiques nous a permis

d'étendre le domaine d'activité et le savoir-faire du groupe à des systèmes impliquant plus massivement la

physique des accélérateurs. Notre activité théorique et numérique concerne la modélisation, la réalisation de

codes parallèles en particulier du type Vlasov-Fokker-Planck et PIC. Notre activité expérimentale concerne les

expériences sur des anneaux de stockage (essentiellement UVSOR et SOLEIL), et également une activité en

optique au PhLAM en ce qui concerne la préparation des expériences (diagnostics optiques et THz, manipulation

d'impulsions laser, ...).

A – Génération de rayonnement synchrotron cohérent (CSR)

L'activité sur le CSR a démarré par l'étude et la maîtrise des processus dans la génération de rayonnement

optique cohérent THz provenant de l'interaction laser-électrons libres. Le premier résultat marquant a concerné

la première démonstration d'une source cohérente accordable à bande étroite à UVSOR (dont la puissance crête

est de 1000 à 100000 fois plus élevée que le rayonnement synchrotron classique). Une partie de notre activité a

ensuite naturellement consisté à étudier ce nouveau type de source de façon systématique. Cet aspect peut être

vu comme une activité d'optique non linéaire, dans laquelle le milieu matériel est un paquet d'électrons.



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Plus récemment, notre activité sur le CSR s'est tournée vers une situation où l'émission de rayonnement

cohérent n'est plus provoquée par un laser, mais par une instabilité dynamique du paquet d'électrons, menant à

la formation spontanée de microstructures (patterns). L'intérêt de cette étude est double. D'une part cette

instabilité limite le courant crête accessible dans les anneaux de stockage. D'autre part, l'instabilité se

manifeste par des bouffées de rayonnement cohérent THz extrêmement intenses, et avec grand taux de

répétition (et une puissance moyenne plus élevée que dans le cas du CSR induit par laser). Cette problématique

implique de façon directe les compétences du groupe en dynamique non linéaire (dynamique spatio-temporelle),

et en calcul numérique. Ce travail est effectué en forte collaboration avec UVSOR, SOLEIL, et également avec le

Karlsruhe Institute of Technology (groupe de M. Siegel, pour la détection ultra-rapide de signaux THz au moyen

de détecteurs à films supraconducteurs). Un des résultats marquant dors et déjà obtenu est la maîtrise partielle

de cette l'instabilité à SOLEIL; ce qui permet maintenant d'avoir une source THz cohérente intense et stable

pour les utilisateurs à SOLEIL.

B – Projet LUNEX

Une autre partie de l'activité sur le LEL est dédiée au projet LUNEX 5. Il s'agit d'un projet en collaboration

avec de nombreux laboratoires français, en particulier SOLEIL, le PhLAM, le LOA, l'ESRF, et le CEA, dont

l'objectif est d'aboutir à la réalisation un LEL français VUV/X. L'activité du groupe de dynamique non linéaire du

PhLAM inclut à la fois la participation au comité de pilotage de LUNEX 5, la recherche de financements, et une

activité de recherche sur des points clés, et accessibles avec des financements modérés. Pour l'instant, la

concrétisation de LUNEX 5 sur le court terme concerne un projet de LEL ultra-compact sur accélérateur plasma

(financements obtenus pour le démonstrateur, premières expériences prévues pour 2015) en collaboration avec

le LOA. Le PhLAM est impliqué dans la partie théorique et numérique nécessaire à la réalisation (design du LEL

lui-même et du transport). Sur le plus long terme le consortium travaille sur un projet de laser à électrons libres

sur accélérateur linéaire, de génération actuelle (4G), non financé actuellement. Pour le détail, voir le

Conceptual Design Report de LUNEX5 (http://www.phlam.univ-lille1.fr/perso/bielawski/pdf/LUNEX5_CDR.pdf)

et le site http://www.lunex5.com.

2.1.7 Thématique 5 : Dynamique des réseaux biologiques Permanents : M. Lefranc, Q. Thommen, B. Pfeuty Doctorants : P.-E. Morant, C. Vandermoere, J. Wang, A. Woller (en cosupervision avec l'Institut Pasteur de Lille), B. Lannoo (en cotutelle avec la KU Leuven).

La vie et la mort de nos cellules sont contrôlées par des réseaux de réactions biochimiques, où de

nombreux acteurs moléculaires interagissent et se régulent réciproquement. C'est la dynamique des ces réseaux

qui permet à la cellule de s'informer sur son environnement, de traiter cette information, et de prendre des

décisions complexes, tout en maintenant un état interne propre à la vie. L'étude quantitative et la modélisation

mathématique de cette dynamique cellulaire ont connu un essor extraordinaire depuis une quinzaine d'années,

d'une part grâce à l'arrivée de méthodes permettant de suivre cette dynamique en temps réel dans la cellule

vivante, d'autre part parce s'est progressivement imposée l'idée que la réponse cellulaire dépend beaucoup

moins du comportement de tel ou tel acteur moléculaire isolé que de la dynamique collective résultant de leur

interaction. Quelques gènes et protéines se régulant réciproquement suffisent à engendrer des comportements

que l'intuition seule ne peut produire, et dont la compréhension exige une modélisation mathématique . Or, ce

sont de tels réseaux moléculaires qui contrôlent le cycle de division cellulaire, les horloges biologique s qui

rythment nos jours et nos nuits et auxquelles notre groupe s'est tout d'abord intéressé, les cascades de

signalisation qui transfèrent l'information d'une fonction cellulaire à une autre,... Notre recherche utilise les

méthodes de la dynamique non linéaire et de la physique statistique pour comprendre le fonctionnement de ces

réseaux et identifier leurs principes architecturaux. Cette activité théorique s'effectue pour une bonne partie en

contact étroit avec des biologistes, et fait une large place à l'analyse de données expérimentales en complément

de la modélisation mathématique.

Lors de la rédaction du dernier projet quinquennal en 2008, la recherche au laboratoire dans cette

thématique était dans sa phase de lancement. Un jeune maître de conférences avait été recruté, des

collaborations avaient été initiées, menant à l'obtention d'un contrat ANR sur un appel d'offres “Systems

Biology” franco-anglais, des résultats préliminaires intéressants avaient été obtenus, mais aucune publication

n'apparaissait au bilan. Cinq ans plus tard, les fruits de l'investissement consenti ont dépassé tout ce que l'on



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pouvait espérer. Une dizaine de publications ont été acceptées dans des revues de premier plan. L'une d'entre

elles a été mentionnée par le rapport scientifique 2010 du CNRS comme l'un des faits marquants de l'année dans

le domaine de la génomique, tandis qu'une autre a été sélectionnée en 2013 par FEBS Journal comme l'une de

ses publications les plus représentatives en biologie systémique sur la période 2009-2012, sans oublier un article

de revue invité. Un chercheur post-doctoral de notre groupe a été recruté au CNRS en 2011 dans la CID

“Modélisation des Systèmes Biologiques”. Un doctorant de notre groupe a été recruté en post-doc à l'EPFL

Lausanne. De nouvelles collaborations ont été initiées depuis un an avec l'Institut Pasteur de Lille et la KU

Leuven. Le groupe bénéficie maintenant d'une visibilité nationale et internationale, comme l'attestent de

nombreuses invitations dans des conférences internationales et séminaires à l'étranger, tels que le prestigieux

symposium Albert Goldbeter en septembre 2012. Nos activités sont au cœur de l'axe “Physique et Mathématiques

pour la Biologie” du LABEX CEMPI, dont nous assurons la coordination.

A – Les horloges biologiques

Les premiers travaux ont porté sur les horloges biologiques qui reflètent à l'intérieur de nos cellules

l'alternance des jours et des nuits, et nous permettent d'anticiper les variations périodiques de notre

environnement en déclenchant les phases d'éveil et de sommeil. Dans le cadre d'une collaboration établie avec

le groupe de François-Yves Bouget à l'Observatoire Océanologique de Banyuls/mer (station marine de l'UPMC-

Paris 6), nous avons été les premiers à publier un modèle mathématique de l'oscillateur central de l'horloge du

plus petit organisme eucaryote connu, l'algue microscopique Ostreococcus tauri, tout juste un an après que nos

collègues eurent décrit les deux premiers gènes de cette horloge dans la revue Plant Cell. Pour cela, nous nous

sommes appuyés sur des données expérimentales de très grande qualité acquises à Banyuls, décrivant l'évolution

temporelle de l'activité de ces deux gènes ainsi que de la concentration des protéines qu'ils synthétisent.

De manière tout à fait inattendue, ce travail de modélisation a non seulement permis de reproduire les

données expérimentales avec une précision inhabituelle pour des données biologiques, mais il a de plus mis à

jour une solution simple et élégante trouvée chez cette algue par l'évolution pour résoudre un problème

auxquelles sont confrontées les horloges de tous les organismes vivants. La période d'un oscillateur biochimique

n'est jamais égale précisément à 24 heures. C'est le couplage à la lumière, par exemple le fait que la durée de

vie d'une protéine dépende de l'éclairement, qui permet à une horloge biologique de se caler précisément sur la

durée du cycle jour/nuit. Cependant, la lumière ne fournit pas une information reproductible : les caprices

météorologiques engendrent des fluctuations rapides de l'intensité lumineuse d'un jour sur l'autre, tandis que la

course de la terre autour du soleil induit des variations lentes de l'intensité moyenne au cours de l'année. Nous

avons montré que certaines observations surprenantes ne pouvaient s'expliquer que si l'horloge d'Ostreococcus

tauri utilisait une certaine propriété des oscillateurs non linéaires pour découpler l'horloge du cycle j our/nuit

lorsqu'elle était à l'heure, se protégeant ainsi des fluctuations d'éclairement, tout en le rétablissant lorsque

l'horloge dérive, et qu'il faut la remettre à l'heure. De manière remarquable, nous avons pu mettre en évidence

cette robustesse aux fluctuations d'éclairement pour des durées de jour très variables alors même que les

signaux moléculaires délivrés par l'horloge changent en fonction de la saison.

Dans la thématique “horloges”, deux nouveaux projets associés à des thèses en co-direction ont démarré

en septembre 2012. Le premier implique des biologistes de l'Institut Pasteur de Lille, membres de l'European

Genomics Institute for Diabetes, en pointe dans l'étude du couplage entre horloge biologique et métabolisme. Il

s'agit de comprendre comment des dysfonctionnements de ce couplage peuvent mener à l'obésité et au diabète.

Nous avons des premiers résultats très prometteurs concernant la modélisation des horloges des tissus impliqués

dans le métabolisme, comme le foie, en particulier en ce qui concerne la prise en compte de nouvelles boucles

de rétroaction incorporant des capteurs de l'état métabolique de la cellule. Ce sujet, qui devrait rapidement

mener à des résultats marquants, est à la fois très original pour la modélisation et important sociétalement. Le

deuxième projet nous associe à l'Institut de Physique Théorique de la KU Leuven et concerne l'étude des

principes dynamiques de fonctionnement des horloges circadiennes grâce à des algorithmes génétiques. Il s'agit

ici de comprendre par des méthodes d'évolution in silico comment les horloges biologiques ont pu évoluer vers

leur organisation actuelles, et quels sont les principes qui régissent leur architecture.

B – Dynamique générale des réseaux de transcription.

Parallèlement à cette activité expérimentale, nous avons également mené des analyses théoriques du plus

simple des circuits génétiques, celui où un gène est réprimé par sa propre protéine. Ces travaux, dont un publié



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dans la section Biological Physics de Physical Review Letters, nous ont permis de mieux identifier les

mécanismes contrôlant l'apparition d'oscillations dans ce prototype d'horloge, et notamment les rôles des

mécanismes de dégradation de la protéine, du temps de réponse du gène, du transport cellulaire, et du bruit

moléculaire. Un autre travail théorique a concerné l'étude de modèles de physique statistique hors d'équilibre

(TASEP) modélisant les fluctuations de la vitesse de lecture de la séquence génétique lors des processus menant

à la synthèse des protéines, travail effectué en collaboration avec M. Carmen Romano, de l'Université

d'Aberdeen.

C – Vers une vision intégrative de la cellule.

Le recrutement de Benjamin Pfeuty, d'abord comme chercheur post-doctoral, puis comme chargé de

recherche au CNRS, nous a permis d'étendre les activités de l'équipe à la modélisation du cycle de division

cellulaire, en particulier dans le contexte du développement animal. L'objectif est d'identifier les propriétés

organisationnelles et dynamiques des réseaux moléculaires impliqués dans un contrôle contextuel à la fois

robuste et flexible de la progression et des arrêts du cycle cellulaire. Cette problématique fondamentale a

été notamment étudiée dans le cadre de la maturation méiotique ovocytaire et du point de restriction des

cellules de mammifères, et sera poursuivie dans plusieurs projets collaboratifs en cours se focalisant sur le

contrôle du cycle cellulaire par des signaux de stress, de l'horloge circadienne ou de différentiation.

Enfin, l'activité de modélisation que mène Quentin Thommen en collaboration avec l'équipe “Dynamique

du stress en cellule vivante” nous permet de relier nos recherches à ces autres sujets importants que sont la

signalisation cellulaire, la réponse au stress, ainsi que le déclenchement de la mort cellulaire, en mettant dans

un premier temps l'accent sur l'étude de la cinétique de la réponse cellulaire au stress thermique. Un pre mier

modèle du réseau génétique gouvernant cette réponse a été élaboré sur la base des données de la littérature.

En parallèle, des algorithmes d’analyse d'image ont été développés pour reconstruire à partir des observations

microscopiques les dynamiques rapides des 'nuclear stress bodies’, et les comparer aux prédictions du modèle.

Dans une cellule vivante, les différents processus auxquels nous nous intéressons ne sont pas déconnectés,

mais participent à une dynamique commune. L'horloge pilote le cycle cellulaire et les variations du métabolisme

au cours de la journée, mais ces derniers l'influencent en retour. La problématique du stress oxydant est

profondément reliée à celle du métabolisme via la notion d'état redox de la cellule. Une perspective

particulièrement intéressante pour le prochain contrat quinquennal est donc de pouvoir progressivement

construire des modèles combinant ces différentes fonctions afin de mieux comprendre leurs relations, et de

progresser dans une vision intégrative de la cellule.

2.1.8 Thématique 6 : Dynamique du stress en cellules vivantes Participants : E. Courtade, S. Randoux, P. Suret Doctorants : F. Anquez, A. Sivery

L'activité du groupe, qui a débutée en 2006, repose sur l'étude de la dynamique du stress (oxydant et

thermique) en cellule vivante. Ce projet vise à mieux comprendre les mécanismes cinétiques et fonctionnels mis

en jeu lors de l'activation d'un stress au niveau cellulaire.

A - Stress oxydant :

Un flux continu de ROS, de sources endogènes et exogènes, peut conduire directement ou de façon

cumulée à l’altération voire des dommages de fonctions cellulaires sur différentes cibles (membrane lipidique,

protéines, ADN…) et être impliqué par exemple dans des maladies neurodégénératives, dans le vieillissement, ou

dans des cancers.

La photothérapie dynamique, utilisée pour le traitement de cancers repose sur l’ingestion par le patient

de molécules photoactivables créant de l’oxygène singulet (1er état électronique du dioxygène) qui peut être

cytotoxique pour une cellule. Dans le cadre d’une collaboration avec le laboratoire de Glycobiologie Structurale

et Fonctionnelle (Université Lille 1), nous avons proposé un schéma alternatif reposant sur une excitation laser

directe à 1270 nm de l’oxygène singulet sans utilisation de molécules photoactivables, permettant

potentiellement de surmonter des problèmes associés à l’administration systémique de photosensibilisant en

thérapie. La production directe d’oxygène singulet à 1270 nm a permis d’obtenir la mort cellulaire de cellules



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cancéreuses. En raison de sa simplicité, l'excitation directe sans photosensibilisant de l'oxygène moléculaire

peut potentiellement surmonter des problèmes associés en thérapie à une photosensibilité du patient ou à

l’évacuation du photosensibilisant de l 'organisme. Ces travaux pionniers ont fait la couverture de la revue

Photochemistry Photobiology (janvier 2012) et ont aussi fait l'objet d'un communiqué de presse du CNRS (mars

2012).

Dans le cadre d’une collaboration avec des chimistes du Laboratoire de Chimie Moléculaire et Formulation

(Université Lille 1), nous avons réalisés des expériences de photochimie sur les cinétiques de réactivités de

l’oxygène singulet dans différents solvants. Ces études nous ont permis d’obtenir des taux de création et de

réactivité de l’oxygène singulet, et ainsi de pouvoir évaluer la dose de stress oxydant permettant de pouvoir

induire une mort cellulaire.

L’équipe souhaite maintenant identifier les senseurs du stress à l’échelle intracellulaire et va pour cela

développer une nouvelle activité d’imagerie à l’échelle de la molécule unique avec le recrutement d’un nouvel

enseignant-chercheur en septembre 2013.

B - Stress thermique :

La réponse cellulaire à un stress thermique est un processus complexe conservé parmi l'évolution.

Contrôlé par des mécanismes de régulation avec des partenaires multiples, le mécanisme de réponse de stress

thermique n’est toujours pas actuellement complètement compris. Lors d'un stress thermique dans des cellules

humaines, le facteur de transcription HSF1 (Heat Shock Factor 1) est recruté sur des cibles chromosomiques

spécifiques et donnent naissance à la formation de structures nucléaires de stress (ou nSBs pour nuclear Stress

Bodies). Lors de la recouvrance au stress, les nSBs disparaissent et HSF1 retrouve sa distribution cytosolique.

Le stress thermique est généralement réalisé en plongeant des cellules dans un bain marie à une

température donnée. L'originalité de ce travail est basée sur l'induction d'un stress thermique sur des cellules

par laser. On peut ainsi accéder à des cinétiques d'activation de stress très rapide (< 1s) qui ne sont pas

accessibles avec un bain marie (de l'ordre de 10 minutes). Des études de microscopie sur le recrutement d'HSF1

dans des cellules transfectées stablement (HSF1-GFP), ont montré que la cinétique d'activation du stress

thermique est un point clef dans la réponse au stress thermique.

En parallèle, nous nous sommes intéressés à la modélisation de la réponse au stress thermique couplée

aux expériences de microscopie. Il est en effet important de proposer un modèle de réseau moléculaire de

régulation du choc thermique pour i) prévoir des stratégies et des mécanismes de réponses ii) évaluer les

contributions des réactions majeures impliquées iii) trouver les partenaires moléculaires clés comme senseurs du

stress. Ce modèle doit permettre de reproduire les données obtenues expérimentalement sur la cinétique des

nSBs, mais également de pouvoir faire des prédictions quant au comportement dynamique d'HSF1 vis-à-vis d'un

stress thermique particulier ou de la mémoire au stress par exemple.

En complément de l'étude de la dynamique d'HSF1 par microscopie de fluorescence, des méthodes

biochimiques d'analyse vont être aujourd'hui utilisées (western blot, Elisa) dans le cadre du recrutement d’un

post-doc en biologie moléculaire et biochimie. Ces expériences vont permettre d'obtenir des données

quantitatives sur les partenaires impliqués dans le stress thermique ((HSF1) 3, hsp70, HSF1::hsp70...) afin

d’étayer le modèle et de corréler ces données à celles obtenues par microscopie de fluorescence sur les nSBs.

Enfin, il convient de mentionner qu'en s’appuyant sur les compétences historiques du laboratoire en

optique (non linéaire en particulier), P. Suret, S. Randoux et E. Courtade ont tissé depuis 2008 des liens

privilégiés avec N. Peyriéras de l’institut Feyssard de l’UPR CNRS 3294 à Gif-Sur-Yvette. C'est dans son équipe

qu'a été effectuée la première reconstruction globale de “l'arbre généalogique” des cellules d'un embryon de

poisson-zèbre (publiée dans Science), fournissant des informations essentielles sur les mécanismes de

différentiation. Cette collaboration devrait ainsi donner lieu à des publications de biologie dans des revues de

premier plan dans les prochains mois. Les projets de N. Peyriéras sont centrés sur l’étude de l’embryogénèse

notamment chez des animaux vertébrés « modèles » tels que les poissons zèbres. La microscopie et l’optique

non linéaire (microcopie confocale, microscopie à deux photons, génération de seconde ou troisième

harmonique, microscopie à « feuille de lumière » (SPIM)) sont au cœur des problématiques expérimentales de

ces projets. Cette collaboration a contribué notamment à l’obtention du label IBISA de la plateforme d’imagerie

http://www.cnrs.fr/inp/spip.php?article645



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BioEmergences de Gif-Sur-Yvette (P. Suret est membre de la direction scientifique de la plateforme

http://bioemergences.iscpif.fr/bioemergences/?page_id=129). Au delà des articles en cours de préparation

centrés sur les problèmes d’imagerie, cette collaboration ouvre des perspectives de recherche intégrant les

différentes facettes théoriques et expérimentales du groupe (optique, dynamique non linéai re, physique

statistique, biologie cellulaire...) : en effet la plateforme d’imagerie à Gif-Sur-Yvette fournit désormais de

nombreuses données expérimentales originales permettant l’étude de l’embryon en tant que système complexe.

Cette collaboration s’inscrit donc dans une stratégie de long terme basée sur le développement de nouvelles

compétences théoriques et expérimentales ainsi que sur la constitution d’un réseau de collaboration s à

l’interface entre physique et biologie.

2.1.9 Thématique 7 : Applications des lasers et de la dynamique non linéaire A - Lumière rapide, lumière lente et précurseurs optiques Permanents : Bruno Macke et Bernard Ségard

Cette thématique continue de faire l’objet d’une activité importante dans la communauté scientifique.

Nos contributions ont porté principalement sur les points suivants :

Etude des effets apparemment supraluminiques obtenus en faisant interférer de façon quasi-destructive

des impulsions lumineuses se propageant à des vitesses différentes. Nos résultats fourni ssent une interprétation

des phénomènes observés sur des systèmes biréfringents (fibre ou cristal photonique) beaucoup plus simple que

celle proposée par Solli et al. [PRL 92, 043601 (2004)] et par Brunner et al. [PRL 93, 203902 (2004)] dans le

cadre de la théorie dite des mesures faibles.

Clarification de la différence entre les phénomènes de lumière lente au sens strict obtenus lorsque la

vitesse de groupe dans le milieu est très petite devant la vitesse de la lumière dans le vide et ceux résultant

d’une saturation d’absorption.

Etablissement de solutions analytiques nouvelles au problème des précurseurs de Sommerfeld et Brillouin

à la limite où ceux-ci sont bien séparés (condition remplie pour les paramètres considérés par Brillouin). Nous

montrons en particulier que le précurseur de Brillouin est alors déterminé par les seuls effets d’absorption et

qu’il est gaussien. Ce résultat peut être considéré comme une conséquence dans un cas déterministe du

théorème de la limite centrale en théorie des probabilités.

Etude analytique de l’évolution des précurseurs de Sommerfeld et Brillouin vers le précurseur unique

effectivement observé en optique ou vers les battements dynamiques dans les expériences de diffusion nucléaire

cohérente vers l’avant.

Etablissement d’expressions analytiques du précurseur optique et du champ principal dans un milieu ayant

une fenêtre de transparence naturelle ou induite par EIT, ou encore par le champ incident lui -même.

De janvier 2008 à juin 2013, ces travaux ont fait l’objet de 8 publ ications, essentiellement dans Physical

Review A. Nous avons entrepris récemment l’étude de la propagation d’impulsions de lumière linéairement

polarisée dans un milieu Faraday résonant, par exemple un nuage d’atomes froids soumis à un champ

magnétique parallèle à la direction de propagation. Il semble possible avec un tel milieu d’observer

simultanément de la lumière rapide dans une polarisation parallèle à celle du champ incident et de la lumière

lente dans la polarisation perpendiculaire.

B – Fonctionnalisation de matériaux par irradiation laser Permanent : D. Derozier, en collaboration avec le laboratoire UMET

L'irradiation de la surface d'un matériau par un rayonnement laser de puissance et longueur d'onde

convenablement choisies permet de modifier de manière significative son état de surface tout en inscrivant des

micro-gravures. Ce traitement permet dans un second temps la fixation de groupes fonctionnels sur le substrat

ou bien encore sa métallisation, permettant ainsi de réaliser des dispositifs peu accessibles par d'autres

méthodes. Dans un premier temps, ces techniques ont été utilisées pour métalliser des électrodes souples en

http://bioemergences.iscpif.fr/bioemergences/?page_id=129



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PDMS destinées à être implantées dans des cerveaux in vivo, à des fins d'enregistrement ou de simulation (deux

publications sur la période).

Récemment un projet portant sur la conception et le développement de géotextiles dépolluants pour le

traitement de sédiments de dragage pollués aux métaux lourds, plus précisément de textiles échangeurs d'ions a

été initié. En fonction des caractéristiques physico-chimiques du sédiment à traiter, le volume à traiter, le type

et la quantité de polluants présents, il s'agit de définir le géotextile en termes d’architecture textile, de nature

chimique, de type de fonctionnalisation (voie et molécules greffées) et de modalité d’utilisation. Le traitement

de surface doit permettre de greffer des groupements de type hydroxyles, carboxyliques, amines ou thiol

capables de réagir pour fixer de façon covalente des peptides et d'autres molécules ou macromolécules ayant

une activité spécifique notamment antibactérienne et de chélation de métaux lourds. Outre l'aspect applicatif,

on peut observer dans les états de surface obtenus des structures spatiales, qui sont probablement l'effet d'une

instabilité. Il pourra être intéressant d'étudier l'origine de cette instabilité, et de l'utiliser éventuellement à des

fins de micro-structurations.

C-Dynamique des systèmes non linéaires appliquée aux géo-matériaux

Permanent : J. Zemmouri en collaboration avec le LGCgE (I. Shahrour)

Dans le cadre des travaux de recherche menés au sein l’entreprise OSYRIS, J. Zemmouri a été confronté

au besoin du domaine des géo-matériaux et des enjeux industriels qui s’y rattachent et notamment dans le

milieu pétrolier. A son retour au laboratoire, il s'est naturellement rapproché du laboratoire LGCgE (Laboratoire

Génie Civil et géo-Environnement de l’université de Lille). Deux sujets de recherche basés sur l’apport de la

dynamique des systèmes non linéaires au domaine des géo-matériaux ont été initiés.

Le premier sujet concerne l’étude des instabilités des talus sous chargement sismique. Ce travail est

mené dans le cadre de la thèse de M. IHSAN en codirection LGCgE/PhLAM. Les premiers résultats ont permis de

prédire l’effondrement de talus dans certains cas où le talus a été soumis à de fortes pluies juste avant la

charge sismique. Un article est en cours de rédaction pour publier ces résultats.

Le second projet concerne le domaine de la fracturation de roches lorsque celles-ci sont soumises à une

élévation de température. Il est bien connu qu’une augmentation rapide de la température provoque des

microfissures fragilisant la roche. Ces microfissures sont dues à la variation spatiale des contraintes aux niveaux

des différents constituants de la roche. Cependant, l’augmentation rapide de la température à des niveaux

élevés nécessite des sources de forte puissance. Ceci limite donc l’usage de cette technique sur le plan

industriel. Nous avons mis au point une approche innovante pour traiter ce problème. Nous adoptons une

méthode qui consiste à chauffer lentement la roche dans un premier temps puis nous la refroidissons

brutalement grâce à un fluide avec transition de phase par exemple. Cette méthode inédite à notre

connaissance permet dans certaines conditions de produire une inversion des contraintes au sein de la roche et

provoquant ainsi l’apparition de microfissures en grande quantité provoquant la fragilisation de la roche. Ce

travail à la fois expérimental et théorique est mené dans le cadre de la thèse de M. YASSIN en codirection

LGCgE/PhLAM. Un article est en cours de rédaction pour publier ces résultats.

2.1.10 Perspectives

Les perspectives de l'équipe de dynamique non linéaire pour le prochain contrat quinquennal seront pour

l'essentiel guidées par le programme du Labex CEMPI, dont les activités ont démarré en 2012 et s'achèveront en

2020. Rappelons que notre équipe participe à CEMPI via les thématiques “Dynamique de systèmes complexes en

physique atomique et optique”, et “Physique et Mathématiques pour la Biologie”, dont nous assurons la

coordination. Ce cadre est d'autant plus naturel que ce projet a été articulé autour de notre expertise en

optique et dynamique non linéaire, et a pris pleinement en compte la nature interdisciplinaire de nos activités,

qui nous place en interaction avec bien sûr des mathématiciens, mais aussi des hydrodynamiciens et

mécaniciens, des spécialistes des accélérateurs de particules, des opticiens, des chimistes et des biologistes.

Cette continuité est d'autant plus justifiée que les activités de l'équipe ont connu des évolutions importantes au

cours du dernier quinquennal. Un grand nombre des sujets de recherche proposés aujourd'hui à l'évaluation en

étaient encore à leurs balbutiements il y a cinq ans et n'avaient pas encore donné lieu à publication. Il est donc

aujourd'hui légitime de consolider l'acquis des avancées notables réalisées, et de tirer parti de la reconnaissance



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obtenue pour continuer le développement de ces nouvelles thématiques, et accroître le réseau de

collaborations.

Cela laisse néanmoins la place à des évolutions notables, qui sont décrites ci-dessous. La mise en place

progressive du partenariat avec nos collègues mathématiciens du Laboratoire Painlevé en est certainement une.

L'étude des systèmes dynamiques complexes, en optique ou en biologie, fait appel à des outils conceptuels et

mathématiques très variés et peu utilisés dans les domaines traditionnels de la physique. Nous espérons donc

que les liens qui se créent via CEMPI nous ouvriront de nouveaux horizons. Il est probable qu'ils seront essentiels

pour les activités situées au cœur de grands problèmes ouverts, comme par exemple le croisement entre la

physique non linéaire et la mécanique statistique, qui pose des questions mathématiques fondamentales (ondes

scélérates, turbulence d'onde, dynamique complexe de grands ensembles tels que les paquets d'électrons) ou

encore l'information quantique (fluctuations quantiques). L'interaction avec les mathématiques pourrait

également jouer un rôle très intéressant dans les domaines où le corpus mathématique issu de la mécanique

n'est pas toujours bien adapté, comme en biologie. Plus généralement, en mettant en relief les compétences et

la culture partagée par les différents groupes de l'équipe, quel que soient leurs objets d'étude, le projet CEMPI

joue et jouera un rôle fédérateur, non seulement au sein de l'équipe de dynamique non linéaire mais également

avec les autres équipes du PhLAM impliquées.

On a vu que certaines des questions fondamentales développées dans l'équipe possèdent également une

dimension sociétale importante. C'est bien sûr le cas de la biologie, mais aussi celui de l'étude des évènements

extrêmes, comme par exemple les vagues scélérates géantes qui apparaissent à la sur face de l'océan et qui ont

été tenues pour responsables de nombreuses catastrophes maritimes. Ces évènements, qu'on retrouve dans de

nombreux champs scientifiques, posent des défis majeurs pour les politiques publiques, et l'un des principaux

objectifs de la recherche internationale dans ce domaine est de fournir des connaissances qui puissent

contribuer à réduire les vulnérabilités au travers du développement d'outils de prévision. La récente mise en

correspondance entre les phénomènes d’ondes scélérates dans les systèmes hydrodynamiques et optiques (2007)

a conduit à de premières études consacrées essentiellement à des systèmes conservatifs, en propagation libre.

Les succès obtenus ne doivent pas cacher que ces résultats sont limités à une classe idéale d'événements

extrêmes, en l'absence de dissipation et de dynamiques plus complexes comme la rétroaction interne.

Un de nos objectifs principaux dans l’avenir est donc l’étude de la formation des ondes scélérates dans

des systèmes optiques dissipatifs réalistes. L'interaction de la non-linéarité et du bruit peut en effet entraîner

des effets non triviaux, qui à leur tour peuvent inhiber ou déclencher des événements extrêmes, encore très peu

étudiés en détail. On s’intéressera essentiellement à des systèmes de cavités optiques non linéaires où nos

investigations porteront sur la compréhension théorique et la démonstration expérimentale des régimes pour

lesquels des structures localisées très intenses présentant des signatures d'événements extrêmes peuvent être

engendrées et contrôlées.

C'est sur des thématiques voisines que se poursuivra l'activité en optique non linéaire incohérente,

domaine qui s'est révélé particulièrement riche pour explorer la turbulence d'ondes (ou turbulence “faible”), à

tel point que l'optique constitue aujourd'hui avec l'hydrodynamique et la mécanique un des principaux champs

expérimentaux pour explorer la frontière entre dynamique déterminisme et mécanique statistique. Une question

ouverte concerne la description des comportements observés juste au-delà du régime perturbatif. Les activités

seront à la fois expérimentales et théoriques, en collaboration avec des théoriciens reconnus du sujet. Par

exemple, peut-on décrire une onde incohérente (qui se propage dans un milieu dispersif non linéaire) non pas

comme une superposition d'ondes planes en interaction faiblement non linéaire mais comme un gaz de solitons,

dont les interactions vont déterminer les propriétés d'équilibre finales ? Par ailleurs, un nouvel axe de recherche

sera développé autour de la physique de la propagation d'ondes dans des milieux dont la réponse non linéaire

n'est pas instantanée. Certains travaux théoriques récents prédisent des phénomènes originaux tant en lumière

cohérente (structures localisées) qu'en lumière incohérente (instabilité modulationnnelle incohérente, solitons

incohérents) mais peu de travaux expérimentaux ont jusqu'alors été réalisés. Nous envisageons d'explorer ce

nouveau champ d'études grâce à des fibres remplies d'un cristal liquide dont le temps de réponse est beaucoup

plus lent que le temps de fluctuation du champ optique.

Bien évidemment, les fluctuations jouent également un rôle essentiel en physique quantique. On a vu que

le groupe “Fluctuations quantiques” s'intéresse aux limites ultimes imposées par les propriétés fondamentales de



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la mécanique quantique et aux méthodes permettant de les contrôler et de les utiliser, en particulier dans le

domaine de l'imagerie, mais plus largement de l'information quantique. Lors du prochain contrat quinquennal,

les recherches s'articuleront principalement dans deux directions. La première concerne la collaboration initiée

avec le groupe d'E. Candès à l'Université de Stanford, suite à l'obtention par M. Kolobov d'une bourse Fulbright

lui ayant permis de passer 6 mois comme professeur invité à Stanford. Ce groupe a révolutionné en 2004 la

théorie de l'information en introduisant avec T. Tao l'idée de “compressed sensing”. Ce tout nouveau domaine

de recherche, à l'interface entre les mathématiques et la physique, s'intéresse par exemple à la manière

optimale de reconstruire une image par un nombre limité de mesures, qui peut se trouver bien en dessous de la

limite classique de Nyquist. Plus largement, il s'agit de gestion optimale de l'information. L'application de ces

idées aux concepts d'information et de mesure en mécanique quantique ouvre des perspectives tout à fait

fascinantes. L'autre volet sera consacré à l'étude des propriétés des fluctuations quantiques en imagerie

temporelle, et visera à transposer dans le domaine temporel l'expertise acquise par le groupe en imagerie

quantique. Nous nous efforcerons notamment d'y apporter les techniques de super-résolution développées dans

le domaine spatial afin de caractériser des signaux optiques temporels. Cet effort sera mené dans le cadre d'un

consortium de laboratoires européens qui avaient déjà été réunis au sein du projet européen FP7 HIDEAS. En

complément de ces deux directions, la collaboration avec M. Taki et l'équipe de photonique du PhLAM autour de

la dynamique des supercontinuums et de la génération d'ondes scélérates optiques se poursuivra.

La stratégie de la thématique “Sources sur accélérateurs” sera centrée sur deux thématiques principales,

où elle apportera son expertise de la dynamique non linéaire dans le monde des grands instruments.

Premièrement, l'activité sur la dynamique des paquets d'électrons dans les anneaux de stockage sera poursuivie,

en collaboration avec les synchrotrons UVSOR (Japon) et SOLEIL (France). Au niveau expérimental, un grand défi

actuel consiste à observer et caractériser les structures spatio-temporelles qui se forment dans les paquets

d'électrons, à l'échelle de la picoseconde. Une partie de notre activité consistera à développer des dispositifs

permettant d'enregistrer les émissions Terahertz provenant de cette instabilité. Les stratégies d'observation

incluront l'utilisation de détecteurs à films minces supraconducteurs, et le développement de systèmes

d'"electro-optic sampling". Au niveau théorique et numérique, nous projetons d'utiliser les outils développés au

laboratoire ces dernières années (développement de codes de Vlasov-Fokker-Planck parallèles, Particle-In-Cell,

etc) pour étudier de façon systématique les mécanismes d'instabilité.

Le deuxième volet de l'activité Accélérateurs sera consacré au projet français de laser à électrons libres

LUNEX 5, où le groupe est activement impliqué, et responsable de deux “work packages”. Des financements

européens ont été obtenus par le Synchrotron SOLEIL et le LOA (Palaiseau) pour la réalisation de la partie “Laser

à électrons libres sur accélérateur plasma”. L'objectif est de démontrer la possibilité d'obtenir une amplification

laser (ce problème est actuellement ouvert). Nous participons à ce projet, dans un premier temps au niveau

numérique, pour le design du LEL. Nous prévoyons également de continuer notre activité sur les LELs XUV de

dernière génération. De façon prioritaire, nous mettrons l'accent sur le développement d'un projet français

destiné à produire du rayonnement XUV en France, et à étudier la physique des LELs de dernière génération

(LUNEX 5). Cette activité inclura la participation au pilotage, à la recherche de financements, à la R&D, et à la

veille. La collaboration avec des groupes de LEL étrangers est également envisagée.

Le développement de l'interface physique-biologie au sein de notre équipe, tant dans ses composantes

théorique (“dynamique des réseaux biologiques”) qu'expérimentale (“dynamique du stress en cellules vivantes”),

a constitué un des faits marquants du contrat quinquennal qui s'achève. En conclusion d'un longue phase

préparatoire, deux résultats importants ont été obtenus, concernant d'une part la robustesse des horloges

biologiques aux fluctuations d'éclairement et d'autre part l'induction de la mort cellulaire par irradiation à 1270

nm, tous deux salués par des communiqués de presse du CNRS. Grâce aux recrutements de B. Pfeuty comme CR2

CNRS en 2011 et de F. Anquez comme MCF en 2013, une masse critique a été atteinte nous permettant de

développer les synergies entre le groupe théorique et le groupe expérimental. Cette synergie est déjà à l'œuvre

grâce à l'implication de Q. Thommen dans la modélisation des réponses aux stress ainsi que par sa participation

à l'important contrat industriel mené par E. Courtade. Elle le sera d'autant plus lors du prochain contrat que les

évolutions thématiques des deux groupes amènent naturellement à un certain nombre de convergences.

En effet, une fonction biologique (horloge biologique, cycle de division cellulaire ou réponse cellulaire à

un stress, par exemple) n'est jamais isolée mais opère en coordination avec les autres fonctions au sein d'un

organisme vivant. Ainsi, la collaboration initiée l'année passée avec l'Institut Pasteur de Lille porte sur l'étude du



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couplage entre métabolisme et horloge circadienne, couplage dont les dérèglements sont soupçonnés de causer

des désordres métaboliques tels que le diabète. Cette question est également très actuelle dans l'étude de

l'horloge de l'algue O. tauri. Or, un des marqueurs principaux de l'état métabolique d'une cellule est son état

redox, qui est bien sûr au cœur des problématiques de stress oxydant. De même, il a été montré qu'un des

principaux senseurs métaboliques de l'horloge circadienne a une action directe sur le principal senseur du stress

thermique. Enfin, il existe également des interactions fortes entre le cycle de division cellulaire et les questions

précédentes, avec par exemple un contrôle du cycle par l'horloge chez O. tauri ou encore des couplages naturels

entre cycle et métabolisme. Tout concourt donc à développer dans notre équipe une approche intégrative,

combinant les différentes compétences présentes, et visant à comprendre l'imbrication des fonctions biologiques

que nous avons précédemment étudiées séparément. La synergie entre les deux groupes se fera donc au niveau

de l'acquisition et du croisement des connaissances biologiques nécessaires, dans le développement d'approches

de modélisation sur les expériences faites au laboratoire, ou dans le développement d'expériences concernant

les questions “historiques” du groupe de modélisation, telle que l'horloge d'O. tauri, afin de pouvoir compléter

les expériences des biologistes par des mesures en temps réel dans la cellule vivante.

A ce sujet, il convient de mentionner l’intégration dans notre équipe début 2015 de l'équipe de

biophotonique de l'Institut de Recherche Interdisciplinaire de Lille (IRI), constituée de B. Vandenbunder (DR2

CNRS émérite) et de L. Héliot (IR0 CNRS, directeur du GDR “Microscopie fonctionnelle du vivant”), accompagnés

de 3 post-doctorants, 1 IR CDD, 2 IE CDD. Cette équipe a acquis une solide expérience dans le développement de

techniques d'étude des dynamiques moléculaires en cellule vivante. Les liens de cette équipe avec le PhLAM sont

anciens, puisque le développement de l'interface Physique-Biologie au PhLAM a accompagné le développement

de l'IRI sous l'impulsion de B. Vandenbunder. Ainsi, l'équipe “Dynamique des réseaux biologiques” a fait partie

des premières équipes projets à l'IRI de 2008 à 2011. Suite à une réorientation importante des thématiques de

l'IRI en 2012, ce laboratoire s'est éloigné des approches interdisciplinaires qui avaient inspiré sa création, ce qui

a mené un certain nombre de groupes fondateurs de l'IRI à le quitter pour d'autres laboratoires lillois. La venue

dans notre laboratoire de l'équipe biophotonique, qui a déjà des liens forts avec plusieurs groupes du PhLAM

(dynamique non linéaire, photonique, au travers de publications et projets communs), permettra de renforcer la

thématique biophysique sur plusieurs des sujets qui l'intéressent (stress cellu laire, couplage entre rythmes

circadiens et métabolisme, dynamique de la transcription,...). Cette opération, qui est encore dans une phase

délicate pour des questions de matériel, devrait élargir l'éventail des méthodes d'investigation biophotonique

disponibles et nous faire bénéficier de la visibilité de L. Héliot et B. Vandenbunder dans le réseau national de

microscopie fonctionnelle. Une description des activités menées lors du dernier quadriennal, ainsi que des

projets qui seront menés dans le cadre du PhLAM, est donnée en annexe.

En ce qui concerne l'imagerie, des retombées très importantes sont à attendre de la collaboration étroite

nouée par P. Suret, S. Randoux et E. Courtade avec N. Peyriéras à Gif/Yvette, qui est en pointe dans l'étude de

l'embryogénèse du poisson zèbre. C'est dans son laboratoire qu'a été effectuée la première reconstruction

globale de “l'arbre généalogique” des cellules d'un embryon de poisson-zèbre (publiée dans Science), fournissant

des informations essentielles sur les mécanismes de différentiation. Cette collaboration devrait ainsi donner lieu

à des publications de biologie dans des revues de premier plan dans les prochains mois, et sur le long terme nous

donner accès à des données d'une qualité exceptionnelle.

Plus largement, nous viserons dans le prochain quinquennal à asseoir le positionnement relativement

original que nous avons à l'échelle nationale, et qui résulte du couplage des compétences historiques de l'équipe

en optique, lasers, et dynamique non linéaire. Ces compétences nous permettent de marier dans un même

ensemble les activités expérimentales et les activités de modélisation de réseaux biologiques, et également de

nous placer au meilleur niveau dans l'étude de la dynamique des processus en biologie cellulaire. Ce domaine est

actuellement en plein essor grâce au développement des nouvelles techniques expérimentales, qui rendent

visibles ce qui était jusque là caché. Il est, de plus, évident que les systèmes biologiques, lorsqu'ils doivent faire

évoluer telle ou telle fonction biologique, mettent à profit toutes sortes d'effets non linéaires qui échappent à

une vision biologique traditionnelle, et nous sommes bien placés pour contribuer à faire avancer les

connaissances dans ce domaine.

Pour conclure ces perspectives, il convient de mentionner les nouveaux projets où sont impliqués D.

Derozier d'une part, et J. Zemmouri d'autre part, tous deux ayant eu et ayant d'importantes responsabilités

administratives ou industrielles, concernant les applications des lasers et de la dynamique non linéaire à des



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problèmes d'intérêt. D. Derozier collaborera ainsi à un projet de développement de géotextiles dépolluants pour

le traitement de sédiments de dragage, mené par l'Unité Matériaux et Transformations (Lille 1), ces géotextile s

étant fonctionnalisés par irradiation laser. J. Zemmouri, quant à lui, a initié une collaboration avec le

laboratoire de Génie Civil et GéoEnvironnement (Lille 1) menant d'une part sur les instabilités de talus sous

chargement sismique, d'autre part sur la fracturation de roches sous des cycles de température et de pression.

Enfin, rappelons l'activité importante et reconnue de B. Macke et B. Ségard dans le domaine de la lumière lente

ou rapide et des précurseurs optiques, qui se continuera probablement sur au moins une partie du prochain

quinquennal.

2.2. Photonique

Le groupe photonique du laboratoire PhLAM/IRCICA est composé de 19 permanents ( PR, 2 CR1, 7 MCF, 2

IR, 2 AI et 1 IE) auxquels s'ajoutent 7 doctorants et 6 contractuels

Personnel permanent : R. Bernard (MCF Lille1), L. Bigot (CR1 CNRS), M. Bouazaoui (PR Lille1), G.

Bouwmans (PR Lille1), B. Capoen (PR Lille1), Q. Coulombier (IR CNRS), K. Delplace (AI Lille1), M. Douay ( PR

Lille1), H. El Hamzaoui (IR Lille 1), R. Habert (AI CNRS), C. Kinowski (MCF Lille1), A. Kudlinski (MCF Lille1), A. Le

Rouge (IE Lille1), G. Martinelli (MCF Lille1), A. Mussot (MCF Lille1), Y. Quiquempois (PR Lille1), O. Robbe -Cristini

(MCF Lille1), C. Valentin (CR1 CNRS), O. Vanvincq (MCF Lille1).

Personnel non permanent (Post–doc/IE):

*Contractuels en cours : J. Bauce (IE : 1 an), D. Bigourd (Post-doc : 2 ans), C. Fourcade-Dutin (Post-doc : 1

an), D. Labat (IE : 1 an), A. Paquet (IE : 1 an), X. Wang (Post-doc : 1 an).

*Contractuels de 2008 à 2012 : W. Belardi (Post-doc :1 an en 2008), R. Bernard (Post-doc :1 an en 2009), I.

Decock (AI : 1 an en 2009), R. Habert (IE: 2 ans de 2009 à 2010), J. Hottin (Post-doc :2 ans de 2011 à 2012), I.

Fsaifes (post-doc : 3 ans de 2010 à 2012), H. El Hamzaoui (Post-doc : 2 ans de 2008 à 2010), M. Kavahoaka (post-

doc : 1 an en 2011), D. Labat (IE : 1 an en 2012), T. Lys (AI : 1 an en 2009), Y. ould Agha (Post-doc : 2 ans de

2011 à 2012), V. Petit (Post-doc : 1 an en 2008), M. Stoian (Post-doc : 1 an en 2012).

Doctorants:

*Thèses en cours (année de 1ère inscription):A. Baz (2010), A. Bendahmane (2011), A. Millaud (2008), P.

Calvet (, 2011), M. Droques (2010), G. Le Coq (2011), A. Le Rouge (2009), B. Sevigny (2012).

*Thèses soutenues (année de soutenance): Y. Bourlier (2013), Oualid Berkani (2013), G. Beck (2011), C.

Baskiotis (2011), A. Bétourné (2010), A. Chahadih (2012), L. Lagot (2011), N. Maalouly (2012), V. Pureur (2009),

K. Raulin (2008), V. Tran (2011), O. Vanvincq (2011).

Professeurs invités

Na Chen (2013), Shanghai University of China; Wong Kenneth (2012), The University of Hong Kong, China;

Vladimir Arion (2011), Institute of Inorganic Chemistry, University of Vienna,, Austria; V. Yu. Ivanov (2009),

Institute of Physics of Poland Academy of Sciences, Warsaw, Poland.

L'activité du groupe photonique du laboratoire PhLAM/IRCICA repose sur 4 grandes compétences qui se

déclinent comme suit : Modélisation, Matériaux et nanostructures, Fabrication de fibres à cristaux photoniques

et Sources de lumière et phénomènes de propagation

Ces domaines de compétences sont tous essentiels pour la réalisation des projets scientifiques du groupe

photonique et une majorité de projets repose sur la complémentarité de ces compétences. À titre d'exemple, on

peut mentionner le projet de recherche mené en étroite collaboration avec le CEA/CESTA (Bordeaux) et qui

porte sur la réalisation de fibres optiques à mode plat (voir 2.31). Pour mener à bien ce travail, différentes

structures de fibres optiques ont tout d’abord été étudiées théoriquement dans le but de déterminer les

paramètres opto-géométriques des structures les plus pertinentes. Afin de réaliser les fibres, des préformes



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répondant aux spécifications précédentes furent élaborées en combinant différentes voies de synthèse, en

l’occurrence ici l’OVD (Outside Vapor Deposition) et la voie Sol-Gel. À partir de ces préformes, des fibres ont été

conçues et réalisées. Leurs propriétés optiques ont enfin été étudiées et les fibres les plus intéressantes vis -à-vis

de l’application visée ont été transmises à notre partenaire. Ceci illustre la manière dont les compétences du

groupe photonique peuvent être mobilisées pour mener à bien un projet: c’est un atout essentiel de notre

équipe.

La photonique est un domaine de haute technologie, qui est donc sujet à de nombreuses recherches, à un

développement et à des innovations permanentes. De plus, les relations entre les institutions publiques de

recherche et l'industrie sont fortes et permettent ainsi une innovation basée sur la recherche fondamentale.

C'est dans ce cadre que s'inscrivent les activités de recherche du groupe photonique du Laboratoire

PhLAM/IRCICA : elles concernent des applications dans les secteurs des télécommunications, des capteurs, des

lasers et de la biologie. Ces activités sont structurées autour de la centrale technologique Fibertech dédiée à

l’étude et à la réalisation de fibres à cristal photonique (PCF). Cette plateforme, implantée en janvier 2007 dans

le bâtiment IRCICA, concentre de nombreux équipements originaux dédiés à la fabrication de préformes par

MCVD (Modified Chemical Vapour Deposition), OVD (Outside Vapour Deposition) et Sol-Gel, mais aussi des

équipements spécialement développés pour la réalisation de fibres PCF (aussi connues sous le nom de fibres

micro-structurées ou fibres à trous). Associés aux outils de caractérisation et de modélisation, ces équipements

font de Fibertech un site unique en France et de tout premier plan en Europe.

En s’appuyant sur les quatre compétences mentionnées précédemment, les activités de recherche du

groupe s’organisent autour de trois axes principaux interconnectés :

i) Photonique Non-linéaire dans les fibres PCF.

Les thématiques de recherche en photonique non linéaire dans les fibres optiques ont été initiées au sein

du groupe à partir de 2008. Après s’être portées sur la génération de supercontinuum, les activités de recherche

au sein de cet axe se sont progressivement diversifiées et concernent aujourd’hui de façon générale les

processus paramétriques et les solitons temporels, avec un équilibre entre les études fondamentales et les

aspects applicatifs. L’une des originalités des travaux repose sur l’exploitation de fibres dites

« topographiques », dont les propriétés de guidage varient de façon contrôlée dans la direction de propagation

de la lumière.

ii) Fibres Actives.

L’engouement pour les verres et fibres actives est toujours d'actualité et les besoins continuent de se

faire sentir, tant du côté des géométries de fibres que de celui des matériaux. De ce point de vue, le travail de

recherche de l'axe “Fibres actives” porte sur le développement et l’optimisation des voies de synthèse pour :

- améliorer les performances des verres actuels (niveau de dopage, homogénéité, volume,…)

- développer des matériaux innovants, soit par la nature de la matrice elle-même, soit par le dopant que

l’on cherchera à introduire.

Maîtriser simultanément dopage et indice de réfraction, tirer profit des propriétés luminescentes

d’impuretés mal connues, adapter les voies de synthèse de verres pour y conserver des entités normalement peu

compatibles avec les hautes températures caractéristiques du fibrage de la silice… tels sont les exemples de

thématiques de recherche de notre groupe en matière de fabrication de fibres actives.

iii) Modélisation de Fibres Avancées.

Le groupe photonique a acquis une expertise dans le domaine des fibres microstructurées tant en matière

de fabrication, grâce à la plateforme technologique, qu'en ce qui concerne la prédiction de leurs propriétés

linéaires et non linéaires grâce au développement de codes numériques originaux. Nous participons activement

au développement de nombreuses fibres microstructurées avancées possédant des propriétés optiques originales

ou en vue d'applications spécifiques. À titre d’exemple, on peut citer: les fibres à mode plat, les fibres hybrides,

les fibres multi-cœur et les fibres à grande aire effective.



janvier 2013

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Les projets à venir seront menés dans une démarche de recherche fondamentale, par la quête de

nouveaux phénomènes physiques et de leurs exploitations (ondes scélérates optiques, processus paramétriques,

sources de lumière fibrées, dopages exotiques dans les fibres optiques, fibres hybrides et fibres multi-cœur,…)

et à chaque fois que cela sera possible par la réalisation de composants optiques innovants. De plus nous

assurerons le maintien de la centrale technologique Fibertech au niveau de l’état de l’art international, comme

par exemple par la mise en place et la maitrise d’un système permettant le dopage des verres réalisés par OVD

avec des ions de terres rares ou des ions métalliques. Cette méthode permettra le développement de larges

quantités de matière dopée de façon homogène, permettant par exemple de réaliser des fibres à large cœur

dopées et destinées aux lasers de puissance. Enfin, la centrale Fibertech intensifiera ses collaborations avec le

milieu industriel, notamment avec les sociétés Prysmian Group (premier producteur mondial de fibres optiques

et de câbles à fibres optiques), Horiba-Jobin Yvon, le CEA DAM et la start-up LSO.

Pour clore cette présentation concise des activités de recherche du groupe photonique, on peut noter que

la centrale technologique Fibertech du laboratoire PhLAM/IRCICA a conduit au lancement de projets de

recherche avec :

* des laboratoires régionaux (IEMN, autres laboratoires de l’Université de Lille 1), notamment dans le

cadre du CPER «Campus Intelligence Ambiante».

* des laboratoires nationaux, notamment par le biais de projets ANR (Limoges, Nice, Paris, Saint -Etienne,

Grenoble, Lyon, Montpellier,...).

* des laboratoires internationaux dans le cadre des projets européens ou des projets « inter-régions ».


Les résultats scientifiques des trois axes de recherche cités en introduction ont été très remarqués par la

communauté académique (environ 146 publications dans des revues internationales avec comité de lecture et 9

brevets, et 115 communications dans des congrès internationaux dont 39 conférences invitées). Le travail

accompli a également fait l’objet de publications dans des revues à large diffusion (Photonics Spectra, le

Journal du CNRS, Photoniques, Images de la Physique, highlight dans Nature Photonics, fait marquant de l’année

de l’OSA et du CEA DAM).

L’équipe photonique a été lauréate de deux projets labellisés dans le cadre du PIA en 2012 (voir 2.2.1):

Equipex FLUX (Fibres optiques pour les hauts flux ; coordination assurée par M. Douay, implication de plusieurs

industriels dans le domaine des fibres optiques) et Labex CEMPI (centre européen pour les mathématiques, la

physique et leurs interactions). L’excellence des résultats et les compétences réunies séduisent également le

milieu industriel, comme en témoigne la création en décembre 2011 du laboratoire commun de recherche avec

la société Prysmian Group (premier producteur mondial de fibres optiques et de câbles à fibres optiques) et, à

moyen terme, la création d’un deuxième laboratoire commun avec le CEA DAM (Bordeaux, en cours de

négociation). Parmi les autres partenaires industriels, on peut citer Horiba-Jobin Yvon, 3S Photonics et Alcatel-

Lucent.

Les travaux menés dans l’équipe s’organisent autour de trois axes principaux: (i) Photonique Non Linéaire

dans les fibres PCF, (ii) les Fibres Actives et enfin (iii) Modélisation et Conception de Fibres Avancées.

2.2.1 Photonique Non Linéaire

L’activité « Photonique Non Linéaire » peut être décomposée en 3 sous-axes, qui sont :1) la génération

de supercontinuum, 2) les processus paramétriques, 3) les solitons temporels.



janvier 2013

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1) Génération de supercontinuum

Cette thématique a été initiée en 2008 au sein du groupe, alors qu’une course effrénée était lancée au

niveau international concernant la montée en puissance des sources supercontinuum blanches à fibre optique.

Elles étaient en effet limitées à une puissance moyenne totale de 4 W à cette époque. L’originalité de nos

travaux a porté sur l’utilisation de lasers à fibre continus, dont la puissance moyenne dépasse fortement celle

des sources impulsionnelles habituellement utilisées. Nous avons alors cherché à compenser la faible puissance

« crête »de ces sources continues (de l’ordre de quelques dizaines de watts) par une augmentation de la

longueur des fibres dans lesquelles se produisent les effets

non linéaires, et surtout par une optimisation minutieuse de

leurs propriétés. Ainsi, en utilisant des fibres microstructurées

effilées sur typiquement 100 m et en optimisant le dopage

germanium du cœur, nous avons démontré la première source

blanche continue, dont la puissance moyenne de 10 W

constituait un record en 2010 [1]. Ces travaux ont suscité un vif

intérêt de la communauté puisqu’ils ont été mis à l’honneur

dans différentes revues industrielles (Photonics Spectra,

Photoniques) et de diffusion scientifique (Science & Avenir,

journal du CNRS).

Par ailleurs, nous nous sommes intéressés aux caractéristiques temporelles de ces sources, primordiales

pour certaines applications et qui s’inscrivent dans le cadre général et plus fondamental de celui des ondes

scélérates optiques. Nous avons montré qu’elles résultent de la collision de solitons [2] et que l’ingrédient

minimum et nécessaire pour leur apparition est la dispersion d’ordre trois [3]. Ces études fondamentales nous

ont permis de mettre au point une solution passive pour stabiliser temporellement les sources supercontinuum

[4]. Nous avons bénéficié auprès d’OSEO et du CNRS du financement d’un ingénieur (1 an) pour développer un

prototype qui présente des instabilités bien plus faibles que les modèles commerciaux (3 à 4 fois plus stable).

1. A. Kudlinski et al. "White light cw-pumped supercontinuum generation in highly GeO2-doped core photonic crystal fibers"

Opt. Lett. 34 (23), p. 3631-3633 (2009).

2. A. Mussot et al. "Observation of extreme temporal events in CW-pumped supercontinuum ", Opt. Express 17 (19), p. 17010-

17015 (2009).

3. M. Taki et al. "Third-order dispersion for generating optical rogue solitons" Phys. Lett. A 374 (4), p. 691-695 (2010).

4. A. Kudlinski et al. "Control of pulse to pulse fluctuations in visible supercontinuum", Opt. Express18 (26), p. 27445-27454

(2010).

2) Processus paramétriques

Bien que la mise en évidence expérimentale du processus d’Instabilité de Modulation (IM), i.e. de

processus paramétriques, dans les fibres optiques date de plus d’une trentaine d’années, les études consacrées

à ce phénomène sont revenues au tout premier plan de l’actualité ces dernières années. En effet, de par le rôle

clé qu’il joue dans la formation de phénomènes non linéaires complexes comme la génération d’ondes scélérates

par exemple, et en raison du caractère pluridisciplinaire qu’on lui connait (optique, hydrodynamique,

acoustique, condensats quantiques..), l’étude de ce processus ouvre de nouvelles perspectives de recherche

jusqu’alors inexplorées. D’autant plus que les récentes avancées technologiques dans la fabrication de guides

d’ondes et de fibres optiques en particulier (fibres à dispersion oscillantes, fibres hybrides, fibres à bande

interdite photoniques,…),permettent d’accéder à une gamme de paramètres inatteignables auparavant

conduisant ainsi à des phénomènes dont la dynamique est plus riche et à de nouvelles perspectives d’un point de

vue plus appliqué. Les travaux que nous effectuons sont regroupés dans les trois sous-parties suivantes.

→ Impact de la pente de la dispersion

D’après la théorie de base, il s’avère que le processus d’IM ne dépend que des ordres pairs de la

dispersion. Contre toute attente nous avons démontré que la pente de la dispersion (dispersion d’ordre 3) est

susceptible d’impacter le processus lorsque l’on met en œuvre des signaux non monochromatiques [5] ou lorsque

l’on sature le processus [6]. Dans ce derniers cas, la pente de la dispersion brise la symétrie du processus, en

Spectre de la source supercontinuum blanche et continue et photos de l’expérience.



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Mesure de l’évolution longitudinale du spectre d’IM dans une fibre à dispersion

oscillante

fréquence ou en amplitude. Ces travaux ont été remarqués par la communauté par le biais d’une conférence

nationale invitée, et par l’écriture d’un article éditorial (News &Views) dans Nature Photonics [7].

5. A. Mussot et al. "Impact of the third-order dispersion on the modulation instability gain of pulsed signals," Opt. Lett. 35

(8), p. 1194-1196 (2010).

6. M. Droques et al. "Symmetry breaking dynamics of the modulational instability spectrum", Opt. Lett. 36 (8), p. 1359-1361

(2011).

7. A. Mussot and A. Kudlinski "Modulation instability: loaded dice", Nature Photonics 6, p. 415-416 (2012).

→ MI dans les fibres à dispersion oscillantes

Le processus d’IM dépend des contributions relatives entres les

effets dispersifs et non linéaires et sa dynamique se limite donc à

l’ajustement de ces deux paramètres. Nous avons proposé de

disposer d’un degré de liberté supplémentaire en modulant

longitudinalement la fibre optique. Ce paramètre de contrôle

supplémentaire nous a permis d’effectuer la première démonstration

expérimentale du processus d’IM dans ces fibres dites à dispersion

oscillantes, avec plus de 2×10 lobes (contre 2×1 dans le cas d’une

fibre uniforme) quasi-accordés en phase sur une large bande

spectrale de plus de 10 THz [8]. Des études théoriques nous ont

permis de mieux comprendre la dynamique de formation du

processus [9], ainsi que de mettre en évidence le rôle joué par la

dispersion d’ordre quatre [10].

8. M. Droques et al."Experimental demonstration of modulation instability in an optical fiber with a periodic dispersion

landscape", Opt. Lett. 37 (23), p. 4832-4834 (2012).

9. M. Droques et al."Dynamics of the modulation instability spectrum in optical fibers with oscillating dispersion", Phys. Rev.

A87, 013813 (2013).

10. M. Droques et al.“Fourth-order dispersion mediated modulation instability in optical fibers with oscillating dispersion”,

Opt. Lett. 38 (17), p. 3464-3467(2013).

→ Amplification paramétrique d’impulsions à dérive de fréquence

L’amplification paramétrique à dérive de fréquence est un moyen largement répandu pour amplifier les

impulsions courtes (<100 fs) tout en conservant un bon contraste sur les impulsions recomprimées. Jusqu’alors

les amplificateurs sont massifs et mettent en œuvre des cristaux non linéaire d’ordre 2. Ils sont encombrants et

complexes à aligner. Afin de solutionner ces problèmes nous proposons de tirer profit des processus

paramétriques dans les fibres optiques (utilisant la non linéarité d’ordre trois) pour atteindre des performances

comparables dans une gamme de faible à moyenne énergie (<100 µJ). Dans ce contexte nous nous sommes

associés avec le CEA/CESTA (contrat d’étude FOPCPA, 12 k€), spécialiste des impulsions courtes, pour mener à

bien ce projet. Après une première démonstration de concept [11] qui a largement été soulignée par la

communauté via un highlight dans Nature Photonics, un fait marquant du CNRS, de l’OSA et du CEA DAM en

2010, nous avons poursuivi ces travaux pour mieux appréhender le phénomène et en améliorer les performances

[12-14]. Ces travaux ont été reconnus par la communauté par le biais d’une conférence invitée à Photonics West

en 2012 (conférence internationale de référence dans ce domaine) et ils sont désormais financés par l’ANR (ANR

JCJC FOPAFE 2012-2015, 216 k€) et par la région Nord-Pas de Calais (Accueil de jeunes chercheurs, 100 k€).

11. C. Caucheteur et al."Experimental demonstration of optical parametric chirped pulse amplification in an optical fiber",

Opt. Lett.35 (11), p. 1786-1789 (2010). 12. D. Bigourd et al., "High gain fiber optical parametric chirped pulse amplification of femtosecond pulses at 1 µm", Opt.

Lett. 35 (20), p. 3580-3582 (2010). 13. D. Bigourd et al."Dynamics of fiber optical parametric chirped pulse amplifiers", J. Opt. Soc. Amer. B 28 (11), p. 2848-2854

(2011). 14. A. Mussot et al.“Amplification of ultrashort optical pulses in a two-pump fiber optical parametric chirped pulse amplifier”,

Opt. Express21 (10), 12197-12203 (2013).



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2) Solitons temporels

Bien que la première mise en évidence de solitons temporels dans les fibres optiques date de plus de 30

ans, cette thématique est toujours d’actualité au vu de leur fort potentiel pour la mise au point de sources à

fibre compactes et ultra-courtes notamment. La manipulation des propriétés spectro-temporelles des solitons

s’avère cependant assez délicate car elles dépendent du laser d’excitation, mais aussi des caractéristiques

dispersives et non linéaires des fibres optiques, qui correspondent aux paramètres de contrôle. Nous nous

intéressons ici plus particulièrement au régime très court (< 100 fs) dans lequel l’effet Raman induit un auto -

décalage spectral vers les hautes longueurs d’ondes.

→Mise en évidence d’un nouveau mécanisme d’accumulation de solitons

Nous avons tout d’abord utilisé les fibres à bandes

interdites photoniques (décrites plus en détail dans la partie

intitulée «Modélisation de Fibres Avancées »), qui présentent des

bandes de transmission discrètes, et une dépendance spectrale

« exotique » de la dispersion et du coefficient non linéaire. Plus

particulièrement, ces deux grandeurs varient de façon brutale au

voisinage des bords de bandes interdites photoniques. Nous avons

alors montré théoriquement et expérimentalement que ces

propriétés singulières permettent de stopper l’auto-décalage

Raman de solitons, ce qui induit une accumulation de solitons à

une longueur d’onde déterminée par la position du bord de

bande interdite photonique [15]. Nous avons ensuite utilisé ce

mécanisme pour proposer une nouvelle méthode passive de stabilisation de sources supercontinuum générées

dans ce type de fibres [16].

15. O. Vanvincq et al."Extreme deceleration of the soliton self-frequency shift by the third-order dispersion in solid-core

photonic bandgap fibers", J. Opt. Soc. Amer. B27 (11), p. 2328-2335 (2010). 16. O. Vanvincq et al."Significant reduction of power fluctuations at the long-wavelength edge of a supercontinuum generated

in solid-core photonic bandgap fibers", Opt. Express 18 (23), p. 24352-24360 (2010).

→Contrôle de l’auto-décalage Raman de solitons

Afin d’aller encore plus loin dans le contrôle des solitons temporels, nous avons proposé un nouveau type

de fibres optiques – dites fibres topographiques – dans lesquelles les propriétés dispersives et non linéaires

évoluent simultanément et de façon contrôlée en fonction de la longueur de fibre. Nous avons implémenté un

algorithme inverse permettant de déterminer le profil longitudinal de fibre optimal pour obtenir une trajectoire

spectro-temporelle choisie pour le solitons. Nos expériences ont permis de valider ce concept dans des fibres

topographiques fabriquées au sein de la centrale technologique Fibertech [17]. Cette thématique sera financée

entre autres par l’ANR par le biais d’un projet JCJC (TOPWAVE, 260 k€) qui débutera en 2014.

17. A. Bendahmane et al.“Control of the soliton self-frequency shift dynamics using topographic optical fibers”, Opt. Lett. 38

(17), p. 3390-3393 (2013).

2.2.2 Fibres Actives

Depuis les travaux précurseurs d’Elias Snitzer dans les années 60, un grand nombre de voies de synthèse

et de dopants actifs a été testé et exploité pour la réalisation de lasers ou d’amplificateurs optiques fibrés.

Parmi tous les systèmes étudiés, l’ion Er3+ fait figure de vedette car il est devenu un élément incontournable des

télécommunications optiques grâce à sa capacité à amplifier efficacement les signaux utilisés pour les

transmissions longues distances. Très populaires également, les fibres optiques dopées Yb 3+ se sont imposées,

ces 10 dernières années, comme une alternative pour la réalisation de lasers de fortes puissances capables de

concurrencer les lasers massifs utilisés jusqu’alors. L’engouement pour les verres et fibres actives est donc

toujours d'actualité et les besoins continuent de se manifester, tant du côté des géométries de fibres que de

celui des matériaux.

Mise en évidence expérimentale de la suppression de l’auto-décalage Raman dans

une fibre à bandes interdites photoniques.



janvier 2013

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Sur ce second point, l’apport de notre équipe concerne le développement et l’optimisation des voies de

synthèse pour : i) améliorer les performances (niveau de dopage, homogénéité, volume…) des verres actuels ou

ii) développer des matériaux innovants, soit par la nature de la matrice elle-même, soit par le dopant que l’on

cherchera à y introduire. Maîtriser simultanément dopage et indice de réfraction, tirer profit des propriétés

optiques d’impuretés mal connues, adapter les voies de synthèse pour bénéficier des propriétés optiques

d’entités normalement peu compatibles avec les hautes températures caractéristiques du fibrage de la silice…

tels sont les exemples d’activités de notre groupe en matière de fabrication de fibres actives. Ces activités

peuvent se décliner en trois sous-axes :

1. Les verres et fibres dopées pour applications autour de 1 µm

Fibres à très large cœur dopé Yb3+

Les lasers à fibre les plus performants s’appuient sur les verres dopés Yb 3+, cet ion combinant une

structure énergétique simple (deux multiplets seulement), avec des sections efficaces élevées et relativement

larges, ainsi qu’un défaut quantique faible entre absorption et émission. Ceci permet de réaliser des lasers

efficaces utilisables en régime continu ou impulsionnel court pour des applications telles que le marquage ou la

découpe. Alors que la montée en puissance observée ces 10 dernières années dans le cas des lasers à fibre dopée

Yb3+ fut essentiellement le fruit du travail de développement de fibres à grande aire modale, les techniques de

fabrication de préformes dopées Yb3+doivent évoluer si l’on souhaite poursuivre cette progression. Il s’avère que

la réalisation de fibres à grande aire effective serait facilitée par l'usage de préformes dopées de gros volume,

homogènes en indice et en concentration de dopant. C’est dans ce but que nous développons à Lille de nouvelles

techniques de fabrication de verres dopés Yb3+, telles que la voie sol-gel polymérique ou la méthode de

vaporisation de précurseurs d’ions de terres-rares par OVD. A titre d’illustration, en couplant la technique sol-

gel au travail mené sur le développement de fibres avancées, nous avons démontré la possibilité de réaliser une

fibre dopée Yb3+de diamètre modal de 36 µm et émettant jusqu’à 20 W avec une efficacité laser de 61,5 %

(thèse d’A. Baz) [1]. Différente des approches sol-gel dites « colloïdales », plus couramment rencontrées dans la

littérature, l’approche sol-gel polymérique développée à Lille conduit à la formation de verres nanoporeux

pouvant être intégralement post-dopés [2, 3]. L’apport se situe au niveau des volumes dopés (des barreaux de

section 15 mm sont disponibles), combinés à une très bonne homogénéité d’indice (déviation standard de

l’indice de réfaction inférieure à 1,1x10-5).

A gauche : image MEB d’une fibre BIP 2D à gaine hétéro-structurée et cœur Sol-Gel dopéYb3+de diamètre moyen 46 µm. A droite : profil de concentration en Yb3+et profil d’indice d’un monolithe sol-gel dopé Yb3+utilisé pour

la réalisation de fibres LMA.

Développement de l’OVD pour la réalisation de fibres utilisables autour de 1 µm

Outre des diamètres de mode de plus en plus élevés, un autre besoin de la communauté des lasers à fibre

porte sur le contrôle de la répartition transverse d’intensité du faisceau émis. En plus du caractère monomode,

il est intéressant de disposer d’un faisceau d’intensité homogène : on parle de mode plat. Pour l’obtenir, une

solution consiste à ajouter un anneau de haut indice en périphérie du cœur. Pour ce faire, nous avons employé

sur la technique OVD qui nous permet de déposer des couches de silice de haute pureté et d’indice contrôlé sur

une cible préalablement réalisée par une autre méthode. Pour parvenir à contrôler l’indice, l’épaisseur et la

qualité optique des couches déposées, nous nous sommes appuyés sur une étude paramétrique visant à mieux

comprendre le procédé OVD [4]. L’effet de la température sur la taille et la forme des nanoparticules de silice



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déposées par OVD a ainsi été étudié, ce qui nous a permis de définir les points de fonctionnement adaptés à nos

réalisations.

A gauche : image MEB mettant en évidence l’anneau de haut indice ayant pour fonction d’aplatir le profil d’intensité du mode fondamental d’une fibre air/silice. A droite : images MEB illustrant la structure des

couches poreuses déposées par OVD, en fonction de la température du dépôt.

Parallèlement, une variante du procédé OVD conventionnel est développée dans l’équipe afin de réaliser

des barreaux dopés Yb3+ dans la masse. Le principe consiste à vaporiser des précurseurs organométalliques

simultanément à un précurseur de silice afin de réaliser, couche après couche, un verre aluminosilicate dopé

Yb3+de haute pureté, utilisable comme cœur de fibres laser de très fortes puissances.

1. A. Baz et al.“Very large mode area Solid-Core Photonic BandGap fiber laser with hetero-structured cladding and Yb-doped Sol-Gel core”, CLEO Europe 2012 (2012)

2. H. El Hamzaoui et al.“From porous silica xerogels to bulk optical glasses: the control of densification”, Mater. Chem. Phys. 121, 83-88 (2010).

3. A. Baz et al.“A pure silica ytterbium-doped sol–gel-based fiber laser“, Laser Phys. Lett. 10 055106 (2013) 4. V. Petit et al.“Experimental Study of SiO2 Soot Deposition using the Outside Vapor Deposition Method”, Aerosol Science

and Technology 44, 388-394 (2010)

2. Amplificateurs optiques mono et multimodes autour de 1,55 µm

Fibres légèrement multimodes : multiplexage modal

Au fil des années, les systèmes de transmission par fibres optiques ont dû être adaptés à l’accroissement

permanent du débit de données. Pour ce faire, l’information transportée par la lumière a été successivement

répartie dans le temps, dans l'espace des fréquences et aussi l’espace des phases de la porteuse. Aujourd’hui,

une nouvelle dimension peut être exploitée grâce à l’utilisation de fibres légèrement multimodes dans lesquelles

les données sont aussi distribuées sur les différents modes transverses du guide. Une ré-amplification périodique

et égalisée de tous les modes guidés étant nécessaire pour une transmission à longue distance, de nouveaux

amplificateurs optiques permettant de gérer simultanément plusieurs modes transverses ont été modélisés et

développés par notre équipe. Ce travail a notamment été développé entre 2009 et 2013 en partenariat avec

Alcatel-Lucent et Prysmian dans le cadre du projet ANR STRADE et de la thèse de G. Le Cocq. Sur la base d’un

code développé dans l’équipe, deux générations de f ibres dopées erbium ont été modélisées et réalisées :

- une fibre MCVD destinée à l’amplification égalisée des modes LP11a, LP11b, LP21a et LP21b, grâce à une

répartition en anneau du dopant actif. Le test de cette fibre en régime d’amplification a démontré son très bon

niveau de performance (différence de gain entre les modes inférieure à 0.5 dB).

- une fibre à cœur micro-structuré, destinée à l’amplification de 6 modes (LP01, LP11a, LP11b, LP21a,

LP21b et LP02). L’originalité repose ici sur une « pixellisation » de la répartition du dopant qui permet de mieux

contrôler le gain des différents groupes de modes et facilite la réalisation de profils proches de ceux prédits

théoriquement en minimisant l’impact de la diffusion des ions Er3+.



janvier 2013

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A gauche : profil d’indice et répartition de dopants mesurés dans une préforme MCVD destinée à

l’amplification égalisée de 4 modes spatiaux. A droite : image MEB et analyse des électrons rétro-diffusés (BSE) d’une fibre air/silice à cœur micro-structuré destinée à l’amplification égalisée de 6 modes spatiaux.

1. G. Le Cocq et al.“Modeling and characterization of a few-mode EDFA supporting four mode groups for mode division

multiplexing”, Opt. Expr.20,27051-27061 (2012).

Amplificateurs optiques résistants aux radiations

Fabriquer les amplificateurs optiques et les lasers à fibre d'une manière souple et rentable tout en

contrôlant le niveau de performance devient un vrai élément différentiateur de technologie. Dans ce but, notre

équipe étudie l’apport de la nanostructuration de la matrice vitreuse aux performances des fibres optiques

dopées par des ions de terres rares [2]. Cet apport est spécifiquement étudié dans le cas des amplificateurs à

fibres dopées erbium ou erbium/ytterbium. Les composants sont caractérisés en termes de propriétés

d’amplification (gain linéique, largeur du gain) et de f iabilité, après test de leur résistance aux rayonnements

ionisants (UV et irradiation gamma). Les champs d'applications visés sont les amplificateurs de forte puissance,

les amplificateurs compacts et les amplificateurs résistants aux radiations. Cette étude est menée dans le cadre

du projet ANR NANOFIBER (Programme: Matériaux et Procédés pour des Produits Performants) en partenariat

avec Prysmian, leader de l'industrie de fabrication de fibres optiques, et quatre partenaires académiques (IES -

Université Montpellier 2, IRAMIS/LSI - Palaiseau et ICMMO - Orsay).

2. H. El Hamzaoui et al. “From molecular precursors in solution to microstructured optical fiber: a sol-gel polymeric

route”, Opt. Mater. Expr.1, 234-242 (2011).

3. Dopages exotiques dans les fibres optiques

Fibres dopées Bismuth

Depuis fin 2005, nous réalisons par MCVD des préformes aluminosilicates, germanosilicates et

phosphosilicates dopées bismuth. L’intérêt relativement récent suscité par ce dopage (le premier rapport d’une

émission IR dans les verres de ce type date de 2001)réside dans la possibilité qu’il offre d’obtenir, suivant la

composition de la matrice hôte, un effet laser dans le proche infrarouge autour de 1,1-1,5 µm. Outre le fait que

cette gamme spectrale n’est pas accessible avec les ions de terre-rare dans la silice, l’intérêt de ce dopant

réside dans ses bandes d'émission lumineuse larges de plusieurs centaines de nanomètres. En outre, la forme de

cette émission est très dépendante de la longueur d’onde d’excitation. Il est très vite apparu qu’il était possible

d’exploiter cette luminescence pour réaliser des lasers à fibres. Malgré un grand progrès dans le développement

de lasers à fibres dopées par le bismuth, il reste beaucoup de questions à élucider. Par exemple, la réalisation

d'un laser efficace à fibre dopée par le bismuth ne peut être obtenue qu'avec un très faible taux de dopage,

tandis que les taux de dopage élevés conduisent à l'extinction complète de l'effet laser. Les problèmes liés au

développement des fibres optiques dopées par le bismuth et leur utilisation ultérieure dans les dispositifs

optiques ne peuvent être résolus sans une compréhension approfondie de la nature de la photoluminescence

infrarouge proche. Ce travail se poursuit actuellement par l’étude des propriétés optiques du bismuth lorsqu’il

est introduit dans un verre de silice pure réalisé par voie sol-gel [1] et par l’étude de l’impact de l’atmosphère

sur les propriétés d’émission/absorption de préformes MCVD (thèse d’A. Le Rouge). Ce sujet est soutenu depu is

2013 par l’ANR dans le cadre du programme blanc (projet BOATS).



janvier 2013

51

A gauche : courbe d’atténuation d’une fibre air/silice à cœur dopé bismuth. Deux bandes d’absorption principales sont mises en évidence autour de 800 et 1400 nm. A droite : spectres de photoluminescence

enregistrés sur fibres, en fonction de la longueur d’onde d’excitation. L’émission du centre lié au bismuth apparaît très décalée vers le rouge en comparaison de ce qui est observé dans les fibres aluminosilicates.

Dopage des verres et fibres par des nanoparticules

Il est connu que les nanoparticules (NPs) de métaux nobles ou de semi-conducteurs présentent des

coefficients non linéaires importants, notamment au voisinage des résonances (plasmon de surface SPR pour les

métaux ; exciton pour les semi-conducteurs). Les NPs peuvent être étudiées également dans le cadre du

transfert d’énergie vers des ions actifs pour augmenter les performances d’amplificateurs ou de lasers. Ces

nano-objets, très étudiés sous forme de films minces ou dans des matériaux massifs, n’ont cependant jamais été

introduits de manière clairement démontrée dans le cœur d’une fibre optique. Cette quasi-absence de

réalisation reste en partie liée à la difficulté de préserver les NPs lors des étapes de fabrication du verre de

silice et du fibrage. Ainsi, alors que la température de fusion de l’or métallique est proche de 1064°C, la

température de travail du verre est, quant à elle, proche de 2000°C.

Une première stratégie a consisté à nous appuyer sur la synthèse sol-gel des verres de silice, développée

à Lille depuis 2002 dans le cas des monolithes, pour réduire l’impact de ces étapes à haute température. Cette

approche repose sur une voie chimique qui permet d’aboutir à des verres nanoporeux pouvant être imprégnés

par des solutions contenant les précurseurs souhaités. Par exemple, afin de stabiliser des NPs d’or dans le cœur

d’une fibre, nous pouvons imprégner des xérogels poreux de silice par un précurseur d’or ou par une solution

contenant des nanoparticules d’or. Après densification des poreux, on obtient alors des monolithes « fibrables ».

Nous avons démontré que les NPs ainsi formées pouvaient résister à plusieurs traitements du verre à haute

température (environ 2000°C) et qu’elles pouvaient subsister jusqu’à l'obtention de la géométrie finale de la

fibre. Il s’avère que les propriétés linéaires et non linéaires de fibres réalisées à partir de ces monolithes sont

clairement modifiées par la présence des NPs [2].

A gauche : courbe d’atténuation d’une fibre air/silice à cœur partiellement dopé par des NPs d’or. En

encart : image MEB de la fibre sur laquelle la zone dopée est symbolisée en jaune. A droite : courbes illustrant

la fonction de réponse en transmission d’une fibre air/silice dopée ou non par des NPs d’or.

Une autre option consiste à doper le gel poreux ou le verre avec les précurseurs des NPs, puis de

provoquer leur croissance cristalline de manière localisée sous faisceau laser. Dans ce domaine, notre équipe a



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acquis une reconnaissance internationale. En particulier dans la silice poreuse sol-gel, des réseaux 2D ou 3D de

nanocristaux métalliques (Au, Ag)[3, 4]ou semi-conducteurs (CdS, PbS)[5, 6]ont été générés dans différentes

conditions d’irradiation (lasers pulsés ou continus à différentes longueurs d’onde). Les mécanismes photo -

thermiques ou photo-chimiques ont pu être mis en évidence selon le laser et les précurseurs utilisés. Ces

travaux, inscrits principalement dans le cadre de l’ANR POMESCO, ont ainsi permis d’extraire les meilleures

conditions expérimentales permettant la synthèse efficace de NPs stables dans des xérogels de silice. Une

extrapolation de ces techniques aux verres denses, puis aux fibres optiques, est en cours, l’aspect localisé de la

croissance des NPs étant particulièrement intéressante pour l’utilisation des non linéarités optiques dans des

lasers impulsionnels.

A gauche : Photographie et spectres d’absorption montrant la résonance SPR de NPs d’or produites dans un

xérogel de silice par irradiation laser femtoseconde. A droite : Photographies et cliché HRTEM de NPs de CdS produites au voisinage de la surface du gel par irradiation laser visible continu.

1. I. Razdobreev et al.“Optical properties of Bismuth-doped silica core photonic crystal fiber”, Optics Express 18 19, p.

19479-19484 (2010). 2. L. Bigot et al.“Linear and nonlinear optical properties of gold nanoparticle-doped photonic crystal fiber”, Opt. Expr.19

19061-19066 (2011). 3. H. El Hamzaouiet al.“Room temperature direct space-selective growth of gold nanoparticles inside a silica matrix based on

a femtosecond laser irradiation”, Mater. Lett. 64 1279-1282 (2010). 4. B. Capoenet al. “Laser-induced growth of nanocrystals embedded in porous materials”, Nanoscale. Res. Lett. 8 266 (2013). 5. H. El Hamzaouiet al.“Continuous laser irradiation under ambient conditions: a simple way for the space-selective growth

of gold nanoparticles inside a silica monolith”, Mater. Res. Bull. 46 1530-1533 (2011). 6. A. Chahadihet al.“Direct-writing of PbS nanoparticles inside transparent porous silica monoliths using pulsed femtosecond

laser irradiation”, Nanoscale Res. Lett. 6 542 (2011).

Fibres pour la dosimétrie

Le domaine de la santé est aujourd'hui demandeur de technologies fibrées. Outre le laser biomédical ou la

fibroscopie qui sont parmi les applications les plus répandues de la fibre optique, ces technologies peuvent

conduire à la réalisation de systèmes de mesure fiables, précis et innovants. L’objectif est d’offrir aux

praticiens des outils utilisables en temps réel, de plus en plus performants lors d’interventions sur les patients.

Dans ce but, notre équipe envisage de développer de nouvelles fibres microstructurées pour la métrologie et

l’imagerie des rayonnements ionisants (rayons X, gamma,…). Le fonctionnement de tels composants serait basé

sur les phénomènes de radioluminescence (RL) ou de luminescence par stimulation optique (OSL). Ces fibre s en

pure silice vont jouer dans l’avenir un rôle majeur dans le domaine de la radiothérapie et de la physique des

hautes énergies, compte tenu de leurs avantages intrinsèques (résistance aux radiations, fibres multi-cœurs,

faible intrusivité, dimensions réduites...). A titre d’exemple, la conception de dosimètres fibrés permettrait

d’effectuer des mesures localisées et déportées de radiations, ce qui constituerait une avancée certaine dans le

traitement du cancer par radiothérapie. Ce projet de recherche, qui a déjà permis de démontrer le potentiel de

fibres dopée Cu+ pour la dosimétrie UV [1], est désormais mené en collaboration avec le Laboratoire Hubert

Curien (LaHC) de l'Université de Saint-Etienne, le laboratoire des Matériaux Inorganiques (LMI) de l'Université

Blaise Pascal à Clermont-Ferrand et le centre Oscar Lambret au CHR de Lille.



janvier 2013

53

A gauche : distribution spatiale de l’intensité d’émission à 550 nm en bout de fibre dopée Cu sous excitation UV. A droite : intensité d’émission des 2 sous-bandes attribuées à Cu+ en fonction de la puissance excitatrice.

Comportement linéaire pouvant être exploité dans un dosimètre.

1. H. El Hamzaoui et al.“Sol-gel derived ionic copper-doped microstructured optical fiber: a potential selective ultraviolet radiation dosimeter”, Opt. Expr.20 29751-29760 (2012).

2.2.3 Modélisation de Fibres Avancées

Cette activité s’articule autour de 2 thématiques principales: 1) Compréhension des mécanismes de

guidage dans les fibres non conventionnelles, 2) Modélisation des amplificateurs à fibres multimodes.

Le développement de fibres optiques disposant de fonctionnalités originales devient une nécessité afin

d’améliorer les dispositifs photoniques actuels et d’étendre leur champ d’application.

L’activité « modélisation de fibres avancées » répond à cette attente dans plusieurs domaines qui

présentent à l’heure actuelle un enjeu majeur pour notre société moderne: Transport, déport de fortes

puissances, lasers fibrés (découpe laser, marquage, chirurgie, …); Mise en forme et filtrage spatial (Laser MJ,

CEA CESTA); Contrôle des effets non linéaires et génération de sources large spectre (sources blanches

puissantes); Communications multimodes haut débit.

La recherche qui y est développée s’appuie avant tout sur la modélisation et la compréhension fine des

mécanismes de guidage dans les fibres microstructurées et à Bandes Interdites Photoniques (BIP). Le groupe a

pour cela développé ses propres outils de modélisation (amplification et propagation multimode, codes de

développement en ondes planes) ou utilise des outils commerciaux (éléments finis) afin d’en comprendre les

aspects plus fondamentaux. Les études restent cependant en lien direct avec la technologie développée dans la

centrale de fibre Fierté de l’IRCICA pour donner des solutions viables et réalistes.

1. Compréhension des mécanismes de guidage dans les fibres non conventionnelles

Les possibilités offertes par la centrale de fibre Fierté ont permis d’envisager le développement de

nouvelles structures de fibres optiques intégrant des guides multiples ou des guidages basés sur des processus

physiques différents (bandes interdites photoniques (BIP) et/ou réflexion totale interne modifiée (RTIM)). Des

degrés de liberté supplémentaires sont donc accessibles afin de fournir des fonctions optiques étendues.

Les différentes solutions étudiées sont décrites ci-dessous : →Hétéro structuration de la gaine et couplages résonnants



janvier 2013

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Le transport de faisceaux de forte puissance et le

développement de lasers de puissance fibrés est un

enjeu majeur de notre société moderne (découpe laser,

marquage, chirurgie,...). La maitrise des effets non

linéaires nécessite une augmentation significative de la

taille du cœur, l’inconvénient étant l’apparition de

modes d’ordre supérieur. Un moyen de rendre la fibre

monomode en pratique pour garantir la qualité de

faisceau est d’introduire un fort différentiel de pertes

entre le mode fondamental et les autres modes.

Un tel effet peut être obtenu par couplage

résonnant avec la gaine en introduisant des défauts

(cœurs décentrés) se couplant facilement avec les modes d’ordre supérieur.

Fort de nos compétences théoriques dans le domaine des fibres BIP nous avons mené des études

fondamentales permettant de mettre en évidence de nouvelles structures de fibres : les fibres BIP à réseau

triangulaire mais avec une gaine hétérostructurée. Un record d’aire effective a été démontré en 2013 avec un

mode présentant un diamètre de 44 µm. Des versions actives sont en cours de test (voir axe « Fibres actives »)

avec un cœur entièrement dopé par voie sol-gel.

Cette thématique est inscrite dans l’Equipex FLUX.

[1] A. Baz et al., J. Light. Tech. 31, p 830 (2013)

→Guides annulaires pixélisés, réduction des couplages

Les fibres de Bragg présentent un intérêt pour le transport de

puissance. Elles sont constituées d’une alternance de guides annulaires

de haut et bas indice de réfraction (comme les miroirs de Bragg). A

l’instar des fibres hétérostructurées, la gestion de l’épaisseur des guides

de bas indice permet, si elle est choisie judicieusement, un couplage

résonnant avec les modes d’ordre supérieur, introduisant des fortes

pertes sur ceux-ci. Cependant elles souffrent d’un défaut important et

structurel lié au fait que les modes de gaine guidés dans les anneaux de haut indice peuvent se coupler avec le

mode fondamental, réduisant son utilisation en pratique.

L’étude des couplages a permis de mettre au point et

concevoir une nouvelle structure de fibre optique originale

qui présente les avantages des fibres de Bragg sans les

inconvénients. Cette nouvelle structure montre de vraies

bandes interdites photoniques. En conséquence, l’impact des

courbures sur les propriétés de guidage est beaucoup plus

faible que dans les fibres de Bragg conventionnelles.

Cette thématique est intégrée dans l’Equipex FLUX. [2] A. Baz et al., OPEX 20, p. 18795 (2012)

→Structuration d’indice pour mise en forme de faisceau

Structure d’une fibre à bandes interdites photonique avec hétérostructuration de la gaine. Les résonateurs décentrés se couplent avec les

modes d’ordre supérieur du cœur sur toute la BIP.

Fibre de Bragg standard et

pixélisée

Modes de gaine d’une fibre de Bragg classique (rouge). Position le la première

bande interdite photonique (bleu)



janvier 2013

55

Le profil d'intensité délivré par une fibre monomode

standard (microstructurée ou non) présente une répartition

d’énergie quasi-gaussienne : l'intensité déposée sur la cible n'est

donc pas homogène. Une solution élégante et efficace consiste à

utiliser une fibre monomode délivrant un faisceau cohérent de

profil d'intensité plat. Les avantages sont nombreux : le faisceau

est mis en forme directement dans la fibre, et le nombre

d’éléments optiques en espace libre est réduit, favorisant la

compacité et la stabilité du système optique. L’aire effective est

significativement plus élevée par rapport à une fibre présentant la

même taille de cœur.

Des études théoriques ont montré que l’addition d’un

guide annulaire d’épaisseur contrôlée (quelques centaines de

nanomètres) autour du cœur permet l’obtention d’un mode plat

à sa fréquence de coupure. La taille des trous d’air de la gaine

extérieure est calculée pour obtenir un comportement

monomode (afin d’assurer une cohérence spatiale au faisceau

garante d’une profondeur de champ élevée). Cette thématique a

été initiée dans le cadre d'une collaboration avec le CEA/CESTA

(Bordeaux) pour améliorer la fiabilité du pilote du laser

MégaJoule. Une telle fibre présentant un mode plat à la longueur

d’onde 1,05 µm [3] a été également réalisée (voir thématique «

fibres actives »).

Ce résultat original constitue la première réalisation convaincante d’une fibre délivrant un mode plat

robuste, de diamètre de 20 µm [4]. Ce travail a donné lieu notamment au dépôt de deux brevets.

Cette activité est partiellement financée par des contrats CEA et l’Equipex FLUX. [3] P. Calvet et al., CLEO, CJ11.3 (2013) [4] C. Valentin et al., OPEX accepté (2013)

→Fibres à guidage hybride RTI &/ou BIP

Depuis quelques années, notre équipe a mis l’accent sur le fait que

les fibres à bandes interdites photoniques, grâce à leurs propriétés

optiques originales, sont de bonnes candidates comme nouvelle plateforme

pour la génération de fréquences par effets non linéaires. En effet, les

bandes interdites photoniques confèrent aux modes guidés des nouvelles

propriétés de dispersion chromatique, et de filtrage spectral inaccessibles

dans les fibres conventionnelles ou à trous d’air.

Le mariage des deux types de guidage fondamentaux (RTI et BIP)

ajoute un degré de liberté supplémentaire dans l’ajustement des

propriétés optiques de la fibre. L’équipe a été la première à mettre en

évidence l’apparition d’un mode RTI à grande longueur d’onde, tout en

conservant les propriétés des bandes interdites à basse longueur d’onde dans ces fibres dites hybrides. Cette

association conduit à des nouvelles propriétés optiques originales, à la fois en optique linéaire et non linéaire.

Nous avons montré que le mode RTI possède des propriétés différentes (dispersion chromatique notamment) et

permet de compenser l’augmentation de l’indice de réfraction du matériau rendant possible des nouveaux

accords de phase, pouvant être exploités dans la génération notamment de nouvelles fréquences d iscrètes [5]

avec des modes fondamentaux.

Profil d’indice transverse. Un guide annulaire entoure le cœur. La gaine est

microstructurée

Evolution de l’indice effectif du mode guidé dans l’anneau.

A son cut-off, la forme de l’intensité du

mode guidé est plane.

Fibre hybride. En blanc : trous d’air,

en bleu clair : silice, bleu

foncé : silice dopée GeO2



janvier 2013

56

Nos travaux ont mené à une simplification majeure de ces structures hybrides [6].En effet nous avons

montré qu’une seule couronne de plots de haut indice dans un réseau composé de trous d’air permet d’obtenir

un guidage similaire à celui des BIP présentes dans une fibre toute solide.

Ces fibres hybrides ont également montré un intérêt dans le développement de sources supercontinuum à

spectre étroit (afin de maximiser l’énergie dans la gamme spectrale souhaitée). Le filtrage spectrale est alors

obtenu sans pertes notables grâce à la forte variation de la dispersion chromatique en bord de bande [7] (voir

« Photonique non linéaire »).

Cette thématique est intégrée dans l’Equipex FLUX et a conduit à deux dépôts de brevets.

[5] A. Betourné et al, Opt. Express. 16, pp 14255-14262 (2008)

[6] Y. Ould-Agha et al., Opt. Express 20, pp. 6746 (2012) [7] A. Betourné et al,Opt. Lett. 34, pp 3083-30853 (2009)

2. Modélisation des amplificateurs à fibres multimodes

L’augmentation sans cesse croissante des débits de

communication conduit à trouver des solutions de rupture. En effet, à

l’horizon 2020, les limites des réseaux actuels basés sur des fibres

monomodes devraient attendre leur limite. Le multiplexage spatiale

(fibres multimodes ou multi-cœurs) s’avère être une solution

envisagée pour les réseaux du futur et suscite un intérêt certain dans

la communauté scientifique.

Les fibres optiques, mais aussi les fibres amplificatrices et les

composants optiques adaptés (MUX/DEMUX, etc.) doivent être adaptés

et repensés. Dans ce cadre, l’équipe travaille de façon active sur la

conception de nouveaux amplificateurs à fibre légèrement multimodes [8]. Le challenge réside dans la

conception de fibres permettant l’amplification simultanée et similaire des signaux portés par les différents

modes de la fibre (typiquement LP01, LP11, LP21, LP02) utilisés pour le transport de l’information.

Le groupe a donc développé des outils de modélisation d’amplificateurs multimodes adaptés à cette

thématique, et a été le premier a démontré au niveau international la réalisation d’un amplificateur supportant

6 modes. [8] G. Lecocq et al, Opt. Express 20 (24), pp. 27051- 27061 (2012)

2.2.4 Perspectives

Grâce aux investissements en cours ou à venir dans le cadre de l’EQUIPEX FLUX, la centrale Fibertech, qui

est au cœur de l’activité de l’équipe « Photonique », se verra renforcée. Ceci permettra d’étendre les

spécificités des fibres optiques réalisées au PhLAM, pour la recherche fondamentale comme pour les

applications. Gamme de dopants étendue, gamme de géométries de fibres plus large… tels sont quelques

exemples d’avancées attendues dans les années à venir, dans la continuité de travaux déjà menés. Afin de

disposer de nouveaux savoir-faire, des études plus novatrices seront également développées, telles que la

réalisation de fibres combinant verre et semi-conducteur (silicium dans un premier temps). Au stade de l’étude

de faisabilité aujourd’hui, ce travail pourrait permettre de disposer de nouvelles structures guidantes (grâce au

contraste d’indice obtenu) ou de structures combinant des fonctions optiques et électriques. Sur tous ces

aspects, l’objectif est de continuer à faire évoluer l’ensemble des équipements de la centrale afin de la

maintenir au niveau d’excellence qu’elle a atteint aujourd’hui.

Parallèlement à ce travail de fabrication, la modélisation et la compréhension des mécanismes de guidage

en optique linéaire et non linéaire continueront de représenter une activité importante et nécessaire avant

toute réalisation de fibres optiques. Même si les mécanismes de guidage sont maintenant bien compris dans les

fibres microstructurées « classiques » (air-silice, bandes interdites), les nouvelles fibres hybrides,

topographiques, les amplificateurs multimodes, les fibres multicœurs ou encore les fibres à grande aire effective

hétérostructurées nécessitent une modélisation appropriée. Par exemple, les fibres à gaine hétérostructurée

présentent de multiples résonateurs non symétriques dont les modes peuvent se coupler avec les modes de

Maillage utilisé pour le modèle théorique d’amplification multimode.

En vert : répartition en ions actifs.



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57

cœur. Une compréhension fine des mécanismes de guidage permettra de tirer parti de cet effet afin d’obtenir

des fibres amplificatrices originales avec des diamètres de mode supérieurs à 50 µm. Des études numériques

approfondies sont également requises pour réaliser des structures complexes comme les lanternes photoniques

qui permettent d’assurer la transition d’une fibre multimode vers une fibre multicœurs constituée de cœurs

monomodes, le but étant, par exemple, de permettre un filtrage spectral après inscription d’un réseau de

Bragg. Ces deux exemples (amplificateur à mode large et lanterne photonique) nécessitent le développement de

codes de plus en plus efficaces accompagnés de modèles analytiques adaptés. Au delà d’une compréhension

claire de la physique de l’optique guidée dans ces structures de plus en plus exotiques, l’effort sera également

concentré sur le développement de codes de calculs originaux, notamment en optique non linéaire avec

l’utilisation de clusters de calculs comportant des accélérateurs graphiques (cartes graphiques dédiées CUDA).

En optique non linéaire guidée, nous envisageons de suivre deux lignes directrices a priori distinctes mais

dont les interconnexions apparaissent d’elles même au fur et à mesure des projets, et qui in fine sont

complémentaires. D’une part, nous proposons de renforcer nos activités de recherche « amont » en tirant profit

de l’extraordinaire plateforme d’expérience que représente la fibre optique pour réaliser des études

fondamentales en physique générale. Cette interdisciplinarité est essentiellement portée par l’équation de

Schrödinger non linéaire qui se retrouve dans de nombreuses disciplines en physique (optique, mais aussi

hydrodynamique, plasma, condensats de Bose-Einstein...). Dans ce cadre, nous désirons élargir le champ

d’investigation que permettent ces guides d’ondes en développant des fibres optiques dites topographiques dont

les propriétés de guidage évoluent de façon contrôlée en fonction de la longueur de propagation. Ce degré de

liberté supplémentaire constitue une réelle levée de verrous scientifiques, nous permettant ainsi d’aborder des

problèmes riches et complexes tels que la récurrence de Fermi-Pasta-Ulam, l’effet Casimir dynamique (le miroir

mobile correspondant à une modulation longitudinale et périodique de la dispersion) ou encore la superfluidité

lumineuse. Ces travaux ambitieux seront effectués dans le cadre d’un projet ANR jeune chercheur (TOPWAVE,

qui débutera en 2014) et seront réalisés en collaboration avec des équipes expertes dans ces domaines en France

ou à l’étranger. Ils sont en connexion directe avec les thématiques développées dans le LABEX CEMPI. D’autre

part, d’un point de vue plus applicatif, les innovations technologiques réalisées au sein de la centrale Fibertech

permettront la levée de verrous technologiques dans le domaine des sources à fibre énergétiques ou de la

biophotonique. Dans les années à venir, nous nous attacherons ainsi à développer des amplificateurs

paramétriques fibrés d’impulsions toujours plus énergétiques à dérive de fréquence qui pourraient s’insérer sur

les futures chaînes commerciales PetaWatt pour les fiabiliser et les simplifier. Cette thématique est financée

par un projet ANR jeune chercheur (FOPAFE, débuté en 2012) qui résulte d’une collaboration soutenue avec le

CEA CESTA, dans le cadre du Laser Mégajoule. L’autre projet principal est de développer les premier s

endoscopes non linéaires miniaturisés pour l’imagerie par diffusion Raman (CARS ou SRS) et la spectro-

tomographie multi-photonique à haute résolution (~1 µm). Ce défi rendrait alors possible le transfert de ces

dispositifs d’analyse de pointe des laboratoires de recherche de biophotonique vers les centres hospitaliers pour

une utilisation routinière. La complémentarité entre les études fondamentales et celles qui se révèlent être plus

appliquées nous semble être un réel atout, que nous comptons exploiter dans les années à venir.

Les recherches portant sur les matériaux seront également poursuivies afin de disposer de fibres aux

propriétés optiques optimisées voire exacerbées : augmentation du gain par co-dopage avec des nanostructures

métalliques et des ions actifs (thématique soutenue par un financement ANR JCJC 2014-2017), ou encore

exaltation des non linéarités optiques par insertion de nanoparticules semi-conductrices. Le premier axe vise à

déterminer la faisabilité d’une nouvelle génération d’amplif icateurs optiques tout fibrés, basés sur la réalisation

de fibres optiques contenant des nano-objets métalliques dopés par des ions erbium. Si l’idée d’exaltation du

champ électrique au voisinage des ions de terres rares par des plasmons de surface est connue depuis quelques

années, la transposition du concept à l’amplification et l’approche que nous souhaitons développer – qui

s’appuie sur les compétences pluridisciplinaires de l’équipe photonique – apportent plusieurs caractères

innovants qui en font un projet capital pour les futurs amplificateurs optiques. Actuellement, la maîtrise des

procédés de synthèse, des méthodes d’incorporation et la compréhension des propriétés optiques n’en sont qu’à

leurs balbutiements. L’approche proposée pourrait permettre un gain notable dans la compréhension de la

physique sous-jacente et la levée de quelques verrous technologiques constatés par la communauté scientifique.

Une seconde perspective de travail porte sur les propriétés non linéaires des verres silicatés qui sont

naturellement faibles, de par la faible polarisabilité de la silice. Or, augmenter ces non linéarités (notamment

celles d’ordre 3) dans les fibres optiques aurait pour conséquence de faciliter l’étude d’une nouvelle gamme



janvier 2013

58

d’effets physiques. A ce titre, un défi essentiel reste le dopage des matrices vitreuses silicates par des

nanoparticules semi-conductrices telles que PbS ou PbSe, dont le gap optique se situe dans l’infrarouge. Pour ce

faire, la méthode originale que nous comptons développer résulte de notre expérience dans la croissance

localisée de nanocristaux assistée par laser. De récents essais sur des verres préparés par fusion et dopés par

CdSSe et PbS nous ont en effet encouragés à poursuivre dans cette voie et à entamer une collaboration avec le

centre de recherche belge Multitel pour l’application de cette technique au blocage de modes passif dans les

lasers impulsionnels. Nous poursuivrons également nos études sur la synthèse sol-gel, en affinant les propriétés

texturales des xérogels de silice et en les valorisant dans différentes projets collaboratifs fondamentaux (effets

spectroscopique du confinement de gaz, effets de confinement sur la dynamique structurale de molécules

commutables) ou dans des projets plus applicatifs (matériaux pour l’affichage, fibres scintillatrices pour la

dosimétrie de rayonnements ionisants). Sur ce dernier exemple, un consortium national, incluant une PME locale

et le CHRU de Lille, est en train de se mettre en place. Les études à venir devraient, entre autres, nous mener

vers une meilleure compréhension des transitions optiques dues aux ions dopants et aux défauts générés par les

radiations.

Précisons enfin que nous consacrerons un effort tout particulier au développement de projets de

recherche en collaboration avec les industriels. Pour cela, nous nous appuierons évidemment sur l’EQUIPEX FLUX

mais aussi sur la mise en place de nouveaux contrats d’études et de bourses doctorales CIFRE. Cette volonté

d’accroitre les relations avec le milieu industriel se manifeste également par le dépôt d’une demande CPER

incluant une ligne pilote ainsi que par des négociations bien avancées avec le CEA-CESTA sur la création d’un

laboratoire commun. Les projets de recherche abordés en partenariat avec les industriels porteront, entre

autres, sur le multiplexage spatial dans les communications Petabit/s, les lanternes photoniques, les fibres

médicales, les lasers à fibres de haute puissance, les adaptateurs de modes, les fibres résistantes aux radiations

ionisantes. Toutefois, afin de mener à bien l’ensemble de ces activités, il est indispensable de renforcer la

supervision de l’activité de fibrage au sein de la centrale Fibertech, assurée actuellement par un enseignant-

chercheur, via le recrutement d’un ingénieur de recherche.

Rayonnement

I. Equipex FLUX : « Fibres pour les hauts flux » et Labex CEMPI « Centre Européen pour les

Mathématiques, la Physique et leurs interactions ».

Le projet Equipex « Flux » accepté en 2012, porte sur la transmission de hauts flux par fibres optiques,

dont les objectifs sont les suivants:

* apporter une technologie de rupture (le multiplexage modal) dans les réseaux optiques afin de

permettre des flux de données de plusieurs ordres de grandeurs supérieurs à ceux déjà démontrés. Le succès de

ce projet conduirait à la suppression des fibres monomodes.

* ouverture disciplinaire pour les hauts flux de photons transportés/générés par les fibres optiques. Parmi

les nombreuses possibilités, plusieurs voies seront explorées : les fibres médicales, le marquage laser, les

sources optiques à fibres et les fibres multicoeurs. Ces voies ont été choisies en raison du marché potentiel en

collaboration avec des industriels.

Ce projet Equipex constitué de quatre partenaires (IEMN, PhLAM, Prysmian et Eolite) se propose

d’acquérir et d’utiliser des équipements originaux pour sa plateforme fibres pour :

* la recherche en développant des méthodes de dopages de silice, de fibrage et de caractérisation dans le

but de progresser sur les points suivants : homogénéité du dopage, localisation du dopage, fort dopage, verres

hybrides (métal-silice, semiconducteur –silice), introduction du nanomonde dans le cœur des fibres, propagation

légèrement multimodale (amplification, couplage, mux/demux….)

* les applications : les nouvelles fibres obtenues seront alors des outils précieux pour proposer des

approches en rupture avec l’existant dans les télécommunications, le marquage laser et le médical.



janvier 2013

59

* le transfert : ces recherches sont faites en collaboration étroite avec des industriels notamment le

premier producteur mondial de fibre avec lequel cette collaboration repose sur un laboratoire commun

* l’impact sociétal : les trois points abordés représentent un marché en croissance et porteurs d’emplois.

Cet Equipex « FLUX » est mené en lien étroit avec le monde industriel et les équipements demandés

permettront de réaliser des études et des démonstrations en collaborations avec les différentes sociétés:

Prysmian Group, Horiba Jobin Yvon, LSO médical, Eolite systems, CEA Cesta, Alcatel Lucent, Kilia ….

A cet équipex Flux est accolé le Labex CEMPI « Centre Européen pour les Mathématiques, la Physique et

leurs interactions ». Ce Labex CEMPI a été créé lors de la vague 2 du Programme d'Investissements d'Avenir en

Février 2012. Il conjugue les talents et les expertises du Laboratoire de Mathématiques Paul Painlevé et du

Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules (PhLAM).

Pour tirer partie de la situation géographique privilégiée de Lille, carrefour européen au centre du

triangle Paris-Bruxelles-Londres, le CEMPI s'est assuré le jumelage d'équipes internationalement reconnues dans

des centres étrangers de premier plan, comme les Universités de Bristol et Aberdeen (Royaume-Uni), Leuven,

Louvain-La-Neuve et Photonics@be IAP (Belgique), l'Institut Max-Planck de Bonn (Allemagne), l'Institut Fields à

Toronto (Canada) et SISSA (Italie).

La recherche dans le Labex CEMPI est structurée en trois axes : interface de la physique et de la biologie,

interface des mathématiques et de l’informatique théorique et interface des mathématiques et de la physique.

Ce dernier comprend un premier thème portant sur un certain nombre de problèmes-clé, de nature

mathématique, physique et technologique, qui proviennent de l'étude de comportements complexes dans des

systèmes optiques non linéaires, et notamment les fibres optiques. La meilleure compréhension de ces

phénomènes, qui résultera des travaux interdisciplinaires issus de CEMPI, aura des retombées pratiques

intéressantes pour la technologie de la communication ultra-rapide. Le transfert de technologies est accentué

par la création d'un laboratoire associé avec Prysmian Group, le plus grand producteur au monde de fibres

optiques et de câbles à fibres optiques.

II. Participation à des expertises :

Nombreux projets ANR (A. Mussot, Y. Quiquempois, M. Bouazaoui, A. Kudlinski, G. Bouwmans, L. Bigot, M.

Douay)

Laser Mégajoule CEA/DAM (A. Mussot)

Projets DGA (L. Bigot, M. Douay)

Projet canadien Z-NSERC (Y. Quiquempois)

Expert auprès de l’AERES : membre du comité d’experts pour l’évaluation du laboratoire de photonique

d’Angers, décembre 2010 (M. Bouazaoui)

Expert de projets scientifiques auprès de la région Pays de la Loire, de la région Ile-de-France (M.

Bouazaoui) et de la région Franche Comté (M Douay)

Expert à l’Observatoire de Micro et Nano-Technologies - thème : Matériaux et composants pour l’optique

depuis 2008 (M. Bouazaoui)

Expert de projets pour le FCAR (Canada) et le FNRS ( Belgique) ( M Douay)

Projet européen COST (A. Kudlinski)

III. Organisation de manifestations scientifiques :

Journée du Club Optique (club regroupant 90 membres entreprises privées et organismes publics), avril

2013

Optique Lille 2009 : 28èmes Journées Nationales d’Optique Guidée, Horizons de l’optique et 25 ans de la

SFO

Workshop projet européen NextGenPCF, 2008

http://math.univ-lille1.fr/

http://www-phlam.univ-lille1.fr/

http://www.bris.ac.uk/

http://www.abdn.ac.uk/

http://www.kuleuven.be/

http://www.uclouvain.be/

http://photonics-at-be.ulb.ac.be/

http://www.mpim-bonn.mpg.de/

http://www.fields.utoronto.ca/

http://www.sissa.it/



janvier 2013

60

Croissance et propriétés optiques de nano-objets métalliques et semi-conducteurs destinés aux

applications optiques », Villeneuve d’Ascq, novembre 2008.

IV. Participation à des réseaux scientifiques :

Editeur associé pour Optics Express (Y. Quiquempois)

Membre du comité de Nonlinear Photonics Conference (OSA), 2012 (A. Mussot)

Membre du comité de ICNP/AOM Conference (OSA), 2013 (A. Mussot)

Chairman d’une conférence internationale (A. Mussot, ICNP/AOM Conference 2013)

Membre du comité de l’école thématique « Nano-objets », 2008 (B. Capoen)

Membre du comité d’Optique Lille 2009 (L. Bigot, Y. Quiquempois, G. Bouwmans, O. Cristini, A. Kudlinski,

M. Bouazaoui et M. Douay)

Co-organisateur du workshop « Fibres optique au cœur de l’innovation photonique », octobre 2013 (L.

Bigot)

Membre du comité BGPP, Colorado, 2012 (Y. Quiquempois)

Membre du comité BGPP Karlsruhe, Allemagne, 2010 (Y. Quiquempois)

Membre du comité WSOF, Suède, 2013 (Y. Quiquempois)

Membre du comité du workshop « Frontiers in biological detection conference », Mons, Belgique, mai 2012

(M. Bouazaoui)

Membre du comité du workshop « 1st international workshop on metallic nano-objects : from fundamentals

to applications », Saint-Etienne, novembre 2012 (M. Bouazaoui)

Membres de GdR « Verres » depuis 2005 et du GdR NACRE depuis 2011 (Tous les membres du groupe

photonique)

Membre du GdR « NACRE » (Nanocristaux dans des diélectriques pour l’électronique et pour l’optique)

depuis 2012 (B. Capoen, M. Bouazaoui, O. Cristini, C. Kinowski, H. El Hamzaoui)

Membre du GDR CNRS 3073 : « Photonique Non linéaire et Milieux Microstructurés », (PhoNoMi2, 2007-

2010) qui regroupe 22 équipes de recherche, 119 chercheurs 15 villes dont 3 capitales européennes

(Bruxelles, Paris et Rome); inclue aussi tous les membres du groupe photonique.

Programme d’Action Interuniversitaire (PAI), Phase VII (Belgique-France): « photonics@be: towards smart

photonics in 2020 », (2012-2017), inclue aussi tous les membres du groupe photonique.

V. Responsabilités collectives :

Responsabilité du Contrat de Plan Etat Région CIA « Campus Intelligence Ambiante » (Marc Douay depuis

2010)

Deux membres élus du conseil scientifique de l’université de Lille 1 (A. Mussot depuis 2012 et M.

Bouazaoui de 2008 à 2012)

Membre élu du conseil d’administration de l’UFR de physique (M. Bouazaoui 2007-2012)

Quatre membres suppléants au CNU en section 30 (A. Mussot, M. Bouazaoui, M. Douay et A. Kudlinski)

Membres du jury de concours 26, CNRS, 2008 (L. Bigot); 30, CNRS, 2010 (L. Bigot); CNRS, 2011 (A. Mussot)

Membres du vivier en sections 28-30-37 de l’université de Lille 1, 2009-2011 (M. Douay, M. Bouazaoui, L.

Bigot, G. Bouwmans, Y. Quiquempois, M. Douay); 2011-2013 (A. Mussot, Y. Quiquempois, R. Bernard, M.

Douay); Animateur du Vivier 28-30-37 de l’université lille 1 depuis 2009 (M. Douay)

Membres de la commission ADHOC de l’UFR de physique, 2009-2011 (M. Bouazaoui, L. Bigot, G.

Bouwmans, M.Douay)

VI. Participation à la diffusion de la culture scientifique :



janvier 2013

61

Participation à Laser Week, exposition pour les 50 ans de l’invention du Laser, Lille, novembre 2010 (C.

Valentin et L. Bigot)

Participation au FIL à l’IEMN et à l’IRCICA sur les nanotechnologies, mai 2011 (C. Valentin)

Organisation de journées de formation « Nanotechnologies et leurs applications » destinées aux

enseignants du secondaire dans le cadre du PAF, janvier 2012 et janvier 2013 (C. Valentin)

Organisation et participation au salon des métiers de Lille, 2011 et 2012 (C. Valentin)

Séminaires de vulgarisation en lycée « Fibres optiques » et « Nanosciences », novembre 2008 (B. Capoen)

Conférences grand public pour stage de seconde « Fibres optiques » et « Nanosciences », 2011, 2012 et

2013 (B. Capoen)

Chaque année de nombreuses visites du laboratoire sont organisées pour des lycéens ou collégiens

VII. La plateforme photonique

La centrale photonique Fibertech rassemble, dans un même lieu, des équipements à la pointe de la

technologie et dédiés à la fabrication de préformes (OVD, MCVD, Sol-Gel), de fibres optiques et particulièrement

de fibres microstructurées (ou fibres à cristal photonique). La finalité des recherches associées à cette

plateforme est d’étudier les propriétés de guidage de la lumière dans de nouvelles fibres optiques destinées à la

réalisation de composants fibrés innovants (nouvelles sources de lumière fibrées, nouvelles fibres pour les

télécoms/data center, fibres à propriétés spécifiques en matière de dispersion chromatique, de

biréfringence,...).

Dans ce but, les missions de la plateforme se déclinent de la façon suivante :

* Participer à l’effort national et international de réalisation de fibres et de matériaux micro- et nano-

structurés.

* Disposer d’une plateforme technologique de référence mondiale accessible aux laboratoires publics et

industriels.

* Développer de nouveaux concepts de fabrication et de conception de fibres innovantes passives ou

actives pour l’optique linéaire ou non linéaire.

Les équipements de la plateforme expérimentale peuvent être regroupés en quatre grandes catégories.

i) Des équipements d’étirage et de fibrage installés dans une salle blanche (classe 10 000):

* Une tour de fibrage de 12 m de haut adaptée aux tirages de fibres optiques en silice (conventionnelles

et microstructurées).

* Une tour d’étirage de capillaires de silice de 8 m de haut adaptée à la réalisation de capillaires

nécessaires à la fabrication de fibres microstructurées.

* Une tour de 4 m de haut adaptée aux fibrages de très gros diamètres (0.5-1 mm) et à l’étirage de verres

à basse température de transition vitreuse.

ii) Des équipements dédiés à la réalisation de préformes de fibres optiques par phase gazeuse :

* Un système complet de réalisation de préformes par la méthode Modified Chemical Vapor Deposition

(dépôt interne en phase vapeur par l’oxydation d’halogénures).

* Un bâti de dépôt de préformes par la méthode Outside Vapor Deposition (dépôt externe en phase vapeur

par hydrolyse d’halogénures) pouvant être couplé à un cabinet de gaz permettant la vaporisation de

précurseurs organiques.

* Une tour de 7 m de haut pour densifier les préformes fabriquées par la méthode OVD ou Sol-Gel.

* Un système complet de dépollution (gaz et suies).

* Une armoire d’incorporation de dopant par imprégnation.



janvier 2013

62

Photos de la centrale Fibertech : Tirage d’une préforme en capillaires (a) et en fibre optique (b à d) à l’aide des

équipements installés dans la salle blanche de 14m de haut.

Réalisation de préforme par dépôt MCVD (e) et OVD (f). Système de densification (g).

iii) Des laboratoires de chimie dédiés à l’élaboration de verre par voie Sol-Gel ainsi qu’à la synthèse

organométallique et la synthèse de nanoparticules aptes à être incorporées dans les fibres optiques et les

préformes Sol-Gel.

iv) Un ensemble d’équipements utiles à la préparation des préformes (atelier verrerie, salle d’attaque

chimique, découpe et polissage du verre,…) ainsi qu’à la caractérisation des préformes, fibres optiques et nano-

objets synthétisés (microscope électronique à balayage, microscopes optiques, spectrophotomètre UV-VIS, FTIR,

mesure du profil d’indice de réfraction de préformes, d’atténuation des fibres, rembobineuse, centrifugeuse…).

Le regroupement de l’ensemble de ces équipements sur un même site est unique en France et constitue

un des atouts majeurs de la plateforme. En effet, il assure de fortes interactions entre les personnes intervenant

lors des différentes étapes de fabrication de la fibre finale et facilite le suivi des propriétés optiques et

structurales au cours des processus de fabrication, garantissant une meilleure réactivité de l’ensemble de la

chaîne. De plus, les différentes techniques complémentaires de fabrication de verre (MCVD, OVD, Sol -Gel) et

d’incorporations de dopants (terres rares, nanoparticules fabriquées sur place,…) permettent de choisir la voie

la plus adaptée pour chacune des applications/objectifs visés. Enfin les différents responsables de ces

équipements ont le souci permanent de faire évoluer équipements et techniques afin de les garder au niveau de

l’état de l’art et d’implémenter de nouveaux processus/fonctions. A titre d’exemple :

Processus original développé en interne permettant des variations longitudinales contrôlées (périodique

ou quasi arbitraire) des propriétés de la fibre optique lors de l’étape de fibrage. Intérêts : offrir un degré de

liberté supplémentaire utile notamment à la génération de nouvelles sources via des effets non linéaires

optimisés par le profil longitudinal atypique des fibres fabriquées (fibres optiques « topographiques »).

Processus original d’incorporation en phase vapeur de terres rares via la vaporisation de précurseurs

organiques. Intérêts : lever un verrou technologique pour obtenir des verres dopés activement (Yb, Er…) de



janvier 2013

63

volumes importants, homogènes et de bonnes qualités (en termes d’atténuation et de contrôle d’indice de

réfraction). De tels verres sont nécessaires notamment pour les sources lumineuses de très forte puissance et de

très bonne qualité spatiale.

Développement d’une tour de fibrage spécifique à la réalisation de fibres optiques de diamètre

millimétrique flexibles. Intérêts : transports/amplifications de lasers de fortes puissances à large aire effective,

fibres multicœurs pour multiplication du débit ou pour endoscopes originaux (ne nécessitant pas d’optique en

sortie, facilitant ainsi la miniaturisation).

Développement d’un processus Sol-Gel spécifique permettant la maîtrise de la taille nanométrique des

pores lors de la réalisation de préforme à grande section. Intérêts: assurer un meilleur dopage en terres rares

notamment en termes d’homogénéité et limiter les effets de d’agrégations des ions luminescents dégradant les

propriétés optiques de l’amplificateur.

Développement d’un procédé par des méthodes chimiques en solution, permettant la réalisation de films

d’or sur différents types de substrat et principalement dans la microstructure des fibres PCF.

Comme indiqué précédemment, une des missions de la centrale est de pouvoir développer des

partenariats aussi bien avec le milieu académique qu’avec le milieu industriel. Parmi tous ces partenaires, nous

avons développé des relations privilégiées avec Prysmian Group. En effet, un laboratoire commun a été mis en

place avec ce groupe depuis 2011, formalisant ainsi de nombreuses années de collaborations. Les thèmes de

recherche abordés : réduction des pertes (diffusion, groupements OH), fibres micro-structurées (PCF), fibres et

amplificateurs légèrement multimodes, fibres pour le transport de puissance… Un second partenaire privilégié

est le CEA-CESTA (4 contrats et 2 thèses), avec qui nos travaux de recherche portent notamment sur la

réalisation de fibres délivrant un mode plat pour les pilotes des lignes d’amplifications du laser Mégajoule ou

l’amplification paramétrique fibrée d’impulsions femtosecondes à haute énergie.

Enfin, la plateforme est partenaire du GIS GRIFON (GRoupement d’Initiatives pour les Fibres Optiques

Nouvelles) et interagit de ce fait avec les autres plateformes académiques de fabrications de fibres optiques que

sont XLIM-Limoges, LPMC-Nice, ILM-Lyon, ICB-Dijon, EVC-Rennes. Cette structure a pour objectif de i)

développer des activités scientifiques et technologiques nouvelles sur des aspects exploratoires relatifs aux

fibres spéciales et composants photoniques, ii) constituer une vitrine de la recherche sur ce domaine en France

et iii) favoriser l’échange de compétences, le transfert de technologies et d’applications vers les entreprises du

secteur. VIII. Relations avec le milieu industriel 1) Laboratoire commun Prysmian Group (ex-Draka Comteq) France + PhLAM + IEMN

Au cours de ces dernières années, la société Prysmian Group a progressivement transféré une partie de

son activité R&D dans le Nord – Pas de Calais. Par la proximité géographique qu'il crée, ce transfert a contribué

à renforcer les interactions entre le laboratoire PhLAM/IRCICA et Prysmian Group, interactions qui existaient de

longue date et qui avaient donné lieu, notamment, à un projet de recherche soutenu par la Région sur la

période 2003-2006. Suite à ce travail, les deux parties ont considéré que plusieurs de leurs actions de recherche

étaient complémentaires et qu'il serait bénéfique de dégager des synergies sur quelques axes bien spécifiques en

mettant en commun les savoir-faire techniques ou encore les équipements des deux parties. Ceci a conduit, le 8

décembre 2011, à la création et à la mise en œuvre d'un laboratoire commun dans le cadre d'un programme

technique portant sur la conception, la modélisation, la fabrication et la caractérisation de fibres optiques de

nouvelle génération. Parmi les premiers thèmes de recherche couverts, citons par exemple l'utilisation de fibres

micro-structurées pour la réalisation de supercontinuum. Ici, l'expertise de Prysmian Group en matière de

réalisation de fibres photoniques hautement non linéaire à faible pertes a été combinée au savoir -faire du

groupe en matière de photonique non linéaire pour réaliser des sources à larges bandes spectrales et de très

fortes densités de puissance. Aujourd'hui, les activités de recherche communes portent sur l'utilisation des fibres

optiques comme capteur de gaz ou encore sur l'analyse fine des mécanismes de pertes dans les fibres optiques.

Dans ce dernier cas, l'intérêt économique évident pour Prysmian Group rejoint la volonté d'augmentation du

savoir pour le laboratoire PhLAM/IRCICA.



janvier 2013

64

2) Exemples d’autres interactions avec les industriels Régionaux.

Dans le même esprit que précédemment, le laboratoire PhLAM/IRCICA et la société Horiba collaborent sur

la réalisation de réseaux de Bragg fibrés pour la réalisation de filtres réjecteurs de bande (filtres Noch)

extrêmement fins, utilisables pour l'analyse de la réponse Raman des matériaux au plus proche de la raie

excitatrice. Là encore, la proximité géographique entre les deux groupes favorise une interaction efficace. En

outre, l’axe de travail commun retenu permet aux deux parties de trouver un intérêt pour cette collaboration :

la fonction visée est un élément qui permettrait d’améliorer encore les performances des produits développés

par la société Horiba alors que le choix technique retenu (inscription de réseaux de Bragg dans des structures de

type lanterne photonique) est un défi technologique pour le laboratoire PhLAM/IRCICA qui possède une

expérience de longue date en la matière.

3) Collaboration CEA DAM Bordeaux

Le CEA DAM de Bordeaux est en train de développer un laser de grande taille permettant de délivrer des

impulsions laser de l’ordre du MégaJoule afin d’engendrer des réactions thermonucléaires contrôlées. Ces

expériences d’interactions lumière-matière devraient permettre d’obtenir de grandes avancées civiles et

militaires. Ce grand outil scientifique ayant été mis au point il y a presque deux décennies, l’architecture

actuelle n’inclut quasiment pas de dispositifs fibrés pourtant plus stables, moins encombrants et dont les

performances ont connu une réelle révolution pendant cette période. C’est dans ce contexte que le CEA DAM

s’est rapproché de notre laboratoire afin de bénéficier de notre expertise scientifique dans ce domaine afin de

permettre, si besoin, une actualisation de l’architecture du LMJ incluant des dispositifs fibrés. Cette

collaboration, qui a débuté en 2006 avec un contrat d’étude, ne cesse de monter en puissance depuis cette date

par le biais d’autres contrats d’études, par le co-encadrement/financement de thèses et de post docs, enfin par

l’agrément d’un projet ANR (FOPAFE). De nombreux résultats ont été obtenus, dont certains ont été largement

soulignés par la communauté (highlight dans Nature Photonics, fait marquant de l’année de l’OSA et de la DAM),

une invitation dans une conférence internationale de renom (Photonics West) et plusieurs dépôts de brevets.

Notre expertise dans le domaine des fibres optiques innovantes de dernière génération, associée à l’expertise du

CEA DAM dans le domaine des lasers de puissance fibrés nous a permis d’obtenir une complémentarité rare et

soutenue dans le temps. Elle incite nos autorités de tutelle et les dirigeants du CEA DAM de Bordeaux à renf orcer

encore plus cette collaboration par le biais d’un contrat d’accord cadre spécifique CEA DAM Bordeaux -PHLAM,

qui doit être signé courant 2013. A moyen terme, la mise en place d’un laboratoire commun est en cours de

discussion. Ces facilités administratives et juridiques devraient largement simplifier nos échanges et ainsi nous

permettre d’obtenir des résultats de tout premier plan pour être identifiés comme les leaders dans ce domaine.

IX. Relations avec les partenaires académiques

La technicité des équipements, leurs coûts ainsi que la confidentialité de certaines étapes de fabrication

sont incompatibles avec une utilisation directe des équipements de production de verres et de fibres par des

personnes extérieures à l’équipe photonique du PhLAM/IRCICA. Au sein même de cette équipe, seulement une

douzaine de personnes sont habilitées à travailler sur un équipement (typiquement 2 personnes par poste). Par

contre, les utilisateurs finaux des fibres sont nombreux. Ci-dessous quelques exemples.

Exemples de partenaires académiques nationaux : Université de Limoges, Marseille, Saint-Etienne, Besançon, Dijon, Montpellier, plusieurs groupes du laboratoire LPN, l’Institut d’Optique Graduate School…

Exemples de partenaires académiques internationaux : l’Imperial College (Londres), Institut of Quantum Electronics (Pékin), Université de Calgary (Canada), Institut ICFO (Barcelone), Institute of Inorganic Chemistry (Vienne), Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suisse), École Polytechnique de Montréal (Canada), Carleton University (Canada), Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro (Brésil), Sydney (Australie), Hong kong (Chine)…

Exemples de partenaires non académiques : Prysmian Group, CEA-DAM, CEA-CESTA, ONERA, Alcatel-Lucent, LSO médical, Eolite, Horiba Jobin Yvon, Multitel, …



janvier 2013

65

Localisation géographique de nos collaborations (a) nationales et (b) internationales

2.3. Physique des atomes refroidis par laser

Le groupe est formé par deux équipes : Chaos quantique et Instabilités, ainsi qu’une activité Fibres

Optiques.

Permanents : Radu Chicireanu (CNRS, CR2), Jean-François Clément (MCF), Jean-Claude Garreau (CNRS,

DR2), Daniel Hennequin (CNRS, CR1), Pascal Szriftgiser (CNRS, DR2), Philippe Verkerk (CNRS, DR2), Véronique

Zehnlé (PR1).

Post-doctorants : Hans Lignier (2009-2010, 12 mois) : Etude de l’état critique de la transition d’Anderson

avec le rotateur frappé quasi-périodique., Jean-François Clément (2008-2010, 22 mois) : Microscopie en champ

proche d’un atome froid.

Doctorants : Maxence Lepers (2007-2009) : aujourd’hui CR2 au Laboratoire Aimé Cotton, Michel Dossou

(2007-2010), Matthias Lopez (2009-2012), Benoît Vermersch (2010-soutenance prévue le 23 sept. 2013), Rudy

Romain (2010-2013), Julia Luque-Diaz (2011-2014)


Publications dans des revues à comité de lecture : Chaos quantique : 19+2, Instabilités : 4, Fibres

optiques : 10

Conférences invitées : Chaos quantique : 11 , Instabilités : 1, Fibres optiques : 2

Autres communications : Chaos quantique : 7

Brevets déposés : 1 (brevet européen en cours d’examen, lié à une activité de consultance privée).

Rayonnement et attractivité

Projets, programmes et réseaux :

ANR Blanc 2013: Expérience de transitions de phase quantiques d’Anderson généralisées avec un rotateur

pulsé et un condensat de Bose Einstein de potassium (K-BEC), coordinateur (partenaires : Dominique

Delande LKB, Paris ; Gabriel Lemarié, LPT, Toulouse).

ANR INFRA 2013 : COMmunications quasi-optiques ultra-haut débit à base de phoTONIQue, (COM’TONIQ),

partenaire (coordinateur Guillaume Ducournau, IEMN, Villeneuve d’Ascq).

ANR Blanc 2011: Localization of the Atomic Kicked Rotor: Interplay between Disorder and Interaction

(LAKRIDI), partenaire (coordinateur: Dominique Delande, LKB, Paris).

ANR Blanc 2007: Microscopie en Champ Proche d'un Atome Froid (MICPAF), coordinateur (partenaires:

Dominique Delande, LKB, Paris; Marc Douay, IRCICA, Lille)

GDR « Atomes Froids » (J. C. Garreau co-directeur)



janvier 2013

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GDR « Dynamique Quantique ».

GDR « Quantum Information, Foundations & Applications ».

Participation aux programmes Investissements d’avenir

Participation au Labex CEMPI : Axe 1 : Nonlinear collective dynamics in complex atomic and optical

systems (J. C. Garreau membre du comité exécutif, coordinateur du groupe de travail « Nonlinear

Schrödinger Equation »).

Participation à l'Equipex FLUX (Fibres optiques pour les hauts flux) : Axe :"High power and ultrahigh

coherence THz sources: preparing next generation WIFI", resp. P. Szriftgiser, JF Lampin.

Organisation de conférences

Workshop “Non-linear optical and atomic systems: deterministic and stochastic aspects”, dans le cadre du

“semestre thématique” organisé par le Labex CEMPI, Janvier 2013.

Réunion plénière du GDR « Dynamique Quantique » (Villeneuve d’Ascq, février 2013, J. C. Garreau co-

organisateur).

PAMO/JSM 2008 : Colloque de la division de Physique Atomique, Moléculaire et Optique de la Société

Française de Physique et Journées de Spectroscopie Moléculaire (Villeneuve d’Ascq, du 7 au 10 juillet

2008, D. Hennequin co-organisateur avec P. Cacciani)

ECC11 : Experimental Chaos and Complexity Conference (Villeneuve d’Ascq, du 1er au 4 juin 2010, D.

Hennequin dans le comité d’organisation).

Journées Franco-Libanaises Physique et Interfaces (Villeneuve d’Ascq, du 8 au 22 octobre 2011, Dan iel

Hennequin dans le comité d’organisation)

IMAMPC 2013 : International Meeting on Atomic and Molecular Physics and Chemistry (Villeneuve d’Ascq,

du 2 au 5 juillet 2013, D. Hennequin dans le comité d’organisation)

Travaux d’expertise, commissions, conseils

Expertises pour la Mission d’Expertise Internationale, DGRI/MENSR, Membre du comité SIMI 4, programmes

Blanc et JCJC de l’ANR, Consulting privé pour l’entreprise Indelec SA (J.C. Garreau)

Rapporteur pour 11 thèses et examinateur pour 4 thèses (J.C. Garreau, P. Szriftgiser)

Collaborations : Dominique Delande (LKB, ENS, Paris), Gabriel Lemarié (LPT, Toulouse)

Séminaire du groupe : Dans la période 2008-2013, nous avons eu 17 invités pour le séminaire du groupe

(doctorants, post-doctorants et chercheurs/enseignants-chercheurs).

Responsabilités liées à l’enseignement : Véronique Zehnlé est responsable des enseignements de

Physique Quantique et mathématiques appliquées à la physique au niveau de l’UFR de Physique .

Interactions avec l’environnement social et culturel

Le groupe PARL interagit fortement avec les acteurs sociaux et culturels au niveau régional, national et

international. Le groupe a ainsi engagé de nombreuses actions, au nom du laboratoire, souvent en

partenariat avec des associations régionales ou nationales, telles que Physifolies ou la Société Française

de Physique. En fonction des manifestations et du public visé, ces actions présentent de façons plus ou

moins pointues les recherches effectuées dans le groupe. Voici une liste non exhaustive d’actions

organisées ou auxquelles a participé le groupe :

Organisation du stand « pièges magnéto-optiques » de l'exposition « Pris au piège », au Palais de la

Découverte, dans le cadre de l'opération « Un chercheur, une manip » (Paris, 7 octobre au 14 décembre

2008 ; D. Hennequin et P. Verkerk)



janvier 2013

67

Organisation d’expositions-découvertes sous chapiteau dans le centre ville de Lille : « Astrophyz » (du 19

au 22 novembre 2009, 8000 visiteurs, D. Hennequin) et « Laser Week » (avec le CERLA, 18 au 21

novembre 2010, 8000 visiteurs, D. Hennequin et P. Verkerk).

Animations dans de nombreux salons et évènements (par ex., sur le stand du CNRS au salon de la

recherche, en 2011 et 2012)

Nombreuses conférences grand public (D. Hennequin)

Contribution à l’aménagement du Popbus, avec 5 manips pédagogiques (Marseille, juin 2010, D.

Hennequin)

Animations (manips pédagogiques) dans plusieurs évènements hors région (par ex. les « 50 ans du laser

dans la Ville Lumière », à Paris et Palaiseau, juin 2010, D. Hennequin, et le « Mas des Sciences » à

Carpentras, 2011, D. Hennequin)

Co-organisation de la journée Sciences et Média, qui réunit scientifiques et journalistes (Palais de la

Découverte, 2012, D. Hennequin)

Cours « Physique et Société » à l’école de journalisme de Lille (D. Hennequin)

Collaboration avec l’association culturelle Lille 3000 (participation à l’évènement Lille 3000, production

de films pédagogiques dédiés, D. Hennequin)

Participation à la formation continue des enseignants du secondaire, notamment à travers l’organisation

de journées s’inscrivant dans le cadre du Plan Académique de Formation (D. Hennequin, V. Zehnlé)

Réalisation par D. Hennequin de la série de films pédagogiques courts Kezako. 60 films diffusés sur le web

et sur des circuits parallèles en France, en Belg ique et au Canada. Négociations en cours avec l’agence

de la Francophonie. Partenariats avec des entreprises (par ex. EADS) et des diffuseurs (par ex. France

Culture, Universcience, Canalsat, Nathan). Un des épisodes a reçu le prix du meilleur court -métrage au

festival du Film Pédagogique (Lyon, 2012). Cette série a fait l’objet de plusieurs contrats avec Unisciel,

et sera au cœur d’un MOOC (Massive Open Online Course) à la rentrée 2013. Enfin, notons que quelques

épisodes ont été traduits en LSF (langue de signes).

2.3.1 Présentation générale du groupe « Physique des Atomes Refroidis par Laser » (g-PARL)

Le groupe de Physique des Atomes Refroidis par Laser existe depuis 1994. Il s’insère dans une « niche

écologique » du paysage Français de la physique des atomes froids qui est l’étude des dynamiques chaotiques

avec des systèmes à atomes froids. Dans les systèmes classiques une dynamique chaotique au sens propre

(présentant de la sensibilité aux conditions initiales) peut se manifester. Elle est intimement liée à une non -

linéarité du système, comme celle rencontrée dans les effets collectifs du piège magnéto-optique. Les systèmes

Figure 2.3-1 : Deux vues du dispositif expérimental “chaos quantique”.



janvier 2013

68

quantiques décrits par l’équation de Schrödinger ne présentent pas de non linéarité, et donc pas de sensibilité

aux conditions initiales ; le terme « chaos quantique » désigne donc le comportement quantique des systèmes

dont l’analogue classique est chaotique. Plus récemment, la réalisation expérimentale des condensats de Bose-

Einstein a ouvert la porte à l’étude des dynamiques quantiques véritablement chaotiques, ces systèmes étant

décrits par une variante de l’équation de Schrödinger non linéaire nommée équation de Gross-Pitaevskii, et

peuvent donc exhiber des exposants de Lyapunov positifs. Ces lignes de recherche constituent la trame de fond

des activités menées au sein de notre groupe.

La distinction indiquée ci-dessus entre des systèmes chaotiques d’atomes froids s’est tout naturellement

inscrite dans la structure du groupe, formé de deux équipes :

L’équipe « chaos quantique », dont les études se trouvent sur le versant quantique de la problématique ;

L’équipe « instabilités » qui en explore plutôt le versant classique (cette distinction n’étant cependant

pas imperméable).

En plus de ces deux équipes, une activité dédiée aux fibres optiques s’est développée, en collaboration

avec l’équipe Photonique du PhLAM. Il ne s’agit pas à proprement parler d’une activité « atomes froids » mais

elle a des liens étroits avec l’activité de l’équipe chaos quantique, par exemple en ce qui concerne la mise en

place de sources « télécom doublé » adaptées à la manipulation d’atomes de Rubidium ou de Potassium.

Le groupe PARL compte actuellement 7 permanents : 5 travaillent sur le chaos quantique (Radu

Chicireanu, Jean-François Clément, Jean-Claude Garreau, Pascal Szriftgiser et Véronique Zehnlé ; Pascal

Szriftgiser étant aussi responsable de l’activité fibres optiques), deux sur les instabilités (Daniel Hennequin et

Philippe Verkerk). Jean-François Clément (MCF) et Radu Chicireanu (CR2) ont été recrutés respectivement en

2010 et 2011, et sont venus palier à un déficit chronique de personnel dont souff rait l’équipe chaos quantique

depuis plusieurs années.

Le groupe PARL forme une des cinq « thématiques » du laboratoire ; Jean-Claude Garreau en est le

responsable (depuis 2004). A l’intérieur du groupe les équipes sont gérées de façon plutôt collégiale, l ’habitude

du dialogue constructif s’étant bien installée depuis plusieurs années. De par sa taille encore petite et son unité

« géographique » au sein du laboratoire, le groupe a une organisation souple, où les échanges se font par des

discussions informelles. Le groupe organise régulièrement des séminaires avec des invités extérieurs

(responsable : Jean-François Clément), qui permettent de brasser les idées et les confronter aux points de vue

des invités.

Le groupe PARL a participé très activement à la construction du projet de Labex CEMPI (Centre Européen

pour les Mathématiques, la Physique et leurs Interactions) et joue un rôle important dans les activités de ce

Labex, en particulier via le groupe de travail NLSE (Nonlinear Schrödinger Equation) regroupant des physiciens

(des thématiques Atomes Froids, Dynamique Non Linéaire et Photonique) et des mathématiciens du laboratoire

Painlevé. Le groupe s’est aussi impliqué dans la construction du GDR Atomes Froids, crée en 2012, et qui

contribue à fédérer cette communauté, notamment en permettant une intégration accrue entre les équipes

parisiennes et les équipes de province. Depuis de nombreuses années (et maintenant dans le cadre du GDR

Atomes Froids), le groupe propose une formation aux nouveaux doctorants de toute l'Europe, travaillant dans le

domaine, en organisant une école PréDoctorale aux Houches.

Le groupe PARL occupe donc une place de premier plan dans le paysage français des Atomes Froids. La

série très complète d’études menées depuis 2008 sur la transition d’Anderson dans les systèmes quantiquement

chaotiques a considérablement augmenté sa visibilité internationale. Son récent renforcement en termes de

potentiel humain, le soutien financier aux niveaux local et national et les projets qui s’y développent

actuellement sont les garants de la pérennité de cette position dans un domaine à très forte compétition

nationale et internationale.



janvier 2013

69

2.3.2 Equipe Chaos Quantique

Présentation de l’équipe

L’équipe chaos quantique existe depuis 1998, et développe des activités à la fois expérimentales et

théoriques. Du point de vue expérimental, l’équipe est devenue le leader mondial de l’étude du « rotateur

frappé quantique » (quantum kicked rotor), système paradigmatique du chaos Hamiltonien classique et du chaos

quantique. Du point de vue théorique, l’équipe a produit des résultats remarqués sur la dynamique des atomes

froids et ultrafroids dans des réseaux optiques formés par l’interférence de différents faisceaux laser.

Le rotateur frappé quantique peut être réalisé expérimentalement (comme il a été démontré par l’équipe

de Mark Raizen en 1995 [Moore95]) en plaçant des atomes refroidis par laser dans une onde stationnaire pulsée

de façon périodique dans le temps (Fig. 2). Les interférences quantiques se manifestent alors par une

suppression de la diffusion chaotique dans l’espace des impulsions, phénomène connu sous le nom de «

localisation dynamique » [Casati79]. Il existe une analogie mathématique profonde entre ce phénomène et la

célèbre « localisation d’Anderson » [Fishman82], qui se manifeste dans des systèmes désordonnés

unidimensionnels. Plus encore, il est possible d’étendre cette analogie à un modèle d’Anderson à plus haute

dimensionnalité [Casati89]. Il s’avère alors qu’un rotateur frappé dont l’amplitude des pulses est modulée avec

d-1 fréquences incommensurables est équivalent, dans des conditions adéquates, à un modèle d’Anderson à d

dimensions. Or, les modèles d’Anderson avec d ≥ 3 présentent une transition métal-isolant induite par le

désordre, qui est une transition de phase quantique du deuxième ordre. Malgré le grand intérêt que cette

transition suscite chez les théoriciens depuis plus de 50 ans, son observation et sa caractérisation expérimentale

restaient impossibles dans son domaine original, la physique de la matière condensée. Nous avons donc utilisé le

rotateur frappé quasi-périodique comme un « simulateur quantique » permettant d’étudier cette physique très

riche avec des atomes froids.

Le savoir-faire unique que l’équipe chaos quantique possède dans l’étude de la dynamique du rotateur

frappée et une collaboration très fructueuse avec l’équipe théorique de Dominique Delande, du Laboratoire

Kastler-Brossel de Paris a donné origine à une étude très complète de cette transition, qui en fait, à notre

connaissance, la transition de phase quantique la mieux caractérisée expérimentalement. Les années 2008-2013

ont ainsi connu une série de résultats de premier ordre (voir « faits marquants et publications marquantes » ci-

dessous), souvent distingués par les éditeurs, lors de leur publication, par des « suggestions de lecture », des «

points de vue » et des « synopses » dans « Physics : spotlighting exceptional research » de l’American Physical

Review. Nous avons aussi été invités à présenter nos résultats pour un public large de physiciens dans la

publication Images de la Physique du CNRS, conjointement avec les équipes de l’Institut d’Optique et de

Figure 2.3-2: Vue schématique du rotateur forcé quasi-périodique. Le nuage d’atomes froids (à gauche) interagit périodiquement avec une onde stationnaire dont l’amplitude est modulée de façon quasi-périodique (la flèche rouge indique le temps croissant). Les échanges d’énergie entre les atomes et le rayonnement produisent un élargissement progressif du nuage (à droite).



janvier 2013

70

Grenoble qui ont aussi obtenu des résultats importants sur la physique des systèmes désordonnés en même

temps que nous [Delande09,Garreau09].

Bilan de l’activité scientifique

Bilan de l'activité scientifique

Un de principaux résultats obtenus a été la première détermination expérimentale de l’exposant critique

de la transition d’Anderson. Le résultat final, = 1,63±0.05 [Chabé08, Lopez12], est en excellent accord avec

la détermination numérique = 1,57±0.02 [Lemarié09a, Rodriguez11]. Déterminer un exposant critique à partir

de la dynamique du rotateur forcé n’est pas une tâche facile, car les mesures expérimentales sont limitées à

une ou deux centaines de kicks, principalement pour cause de chute des atomes froids sous l’action de la

gravité. Or, les signatures de la transition de phase n’apparaissent clairement que dans le régime asymptotique.

Ce problème existe aussi en physique de la matière condensée, où il ne s’agit pas d’une limite temporelle mais

due à la taille finie des systèmes qui peuvent être traités numériquement. Une solution avait été mise en place,

que l’on pourrait traduire par « mise à l’échelle à taille finie » (finite-size scaling, en anglais). Avec nos

collègues théoriciens, nous avons généralisé cette technique au cas du rotateur frappé, développant ainsi une

« mise à l’échelle à temps fini » [Lemarié09b]. Il s’agit là de la première application de cette technique à des

signaux expérimentaux de la transition d’Anderson. De plus, nous avons pu varier les paramètres microscopiques

du système et montrer que l’exposant critique restait invariant, mettant ainsi en évidence l’universalité de la

transition : la valeur de l’exposant critique est déterminée uniquement par les symétries du système, c’est-à-

dire par sa classe d’universalité [Lopez12].

Un des grands avantages des systèmes à atomes froids, qui en fait en grande partie leur intérêt en tant

que simulateurs quantiques pour les systèmes de la matière condensée, est qu’ils donnent l’accès,

expérimentalement, à des mesures de la fonction d’onde des atomes (ou du moins le carré de son module). Nous

avons donc pu mesurer la fonction d’onde critique du rotateur forcé quasi-périodique et montrer qu’elle obéi

aux propriétés d’échelle prédites par la théorie dite « auto-consistante » de la transition d’Anderson

[Lemarié10]. Finalement, nous avons complété notre caractérisation de la transition par une étude

expérimentale et théorique détaillée de son diagramme de phase (Fig. 3) [Lopez13].

L’équipe a développé en parallèle une activité théorique consacrée à la dynamique quantique dans des

réseaux optiques. Grace à la mise en place d’un cadre formel simple, cohérent et complet, basé sur les états de

Wannier-Stark [Thommen02], une série d’études a permis de mettre en évidence les possibilités presque

Figure 2.3-3: Diagramme de phase de la transition d’Anderson pour le rotateur forcé quasi-périodique. Les parties en bleue indiquent une dynamique localisée (isolant) et les parties en rouge une dynamique diffusive (conducteur). La ligne noire indique la région critique.



janvier 2013

71

illimitées de manipulation de paquets d’onde quantiques dans des réseaux optiques modulés (Fig. 4)

[Thommen11], et aussi d’éclairer la physique des « résonnances quantiques » du rotateur frappé [Lepers08].

En considérant des atomes bosoniques en régime de dégénérescence quantique, décrits par l’équation non

linéaire de Gross-Pitaevskii, la genèse de régimes quantiques génuinement chaotiques a pu être étudiée

[Lepers09]. Nous avons étendu l’étude de l’impact de ce régime non linéaire (éventuellement chaotique) aux

systèmes présentant du désordre (ce qui en fait le lien avec le modèle d’Anderson avec des interactions entre

particules) ou du chaos quantique (ce qui fait le lien avec le rotateur forcé quasi-périodique).

En particulier, l’étude théorique de la dynamique quantique d’un gaz de bosons dégénérés dans des

réseaux désordonnés a permis une synthèse de ces deux approches, ayant en vue l’évolution future des

expériences de rotateur forcée. En effet, une des grandes questions encore ouvertes sur le comportement des

systèmes quantiques désordonnés est l’effet des interactions (voir réf. [Fishman12] et les références qui y sont

citées). Pour un gaz de bosons ultrafoids, ces interactions peuvent être modélisées par une non-linéarité et

donner origine a des comportements chaotiques qui jouent un grand rôle dans la destruction de la localisation

d’Anderson [Ivanchenko11]. Une des grandes difficultés de cette approche est l’apparition d’une très forte

sensibilité aux conditions initiales (responsable du comportement chaotique). Nous avons démontré que cette

difficulté peut être en partie contournée par l’utilisation de lois d’échelle en relation à la taille du paquet

d’ondes initial. Nous avons ainsi pu caractériser la dynamique du système de façon beaucoup plus générale

[Vermersch12,Vermersch13]. Ces résultats, obtenus dans le cadre d’un projet ANR théorique (LAKRIDI) en

collaboration avec D. Delande s’inscrivent dans une démarche plus globale de préparation des futures

expériences avec condensat de Bose-Einstein frappé et l’étude de l’effet des interactions sur la transition

métal-isolant du rotateur frappé (voir projet scientifique ci-dessous).

Par ailleurs, ces activités s’insèrent parfaitement dans l’évolution future des recherches de l’équipe dans

le cadre du Labex CEMPI. Sous l’impulsion des membres de l’équipe, un groupe de travail consacré à l’équation

de Schrödinger non linéaire s’est mis en place, impliquant des mathématiciens du laboratoire Painlevé ainsi que

des membres des équipes « dynamique non linéaire » et « photonique » du PhLAM.

Projet scientifique

Du point de vue expérimental, l’évolution immédiate de nos recherches tend vers l’étude de la transition

d’Anderson à quatre dimensions. En effet, notre simulateur quantique possède cette propriété extraordinaire de

permettre de simuler le modèle d’Anderson avec un nombre arbitraire de dimensions : un rotateur frappé dont

l’amplitude des kicks est modulée d-1 fréquences incommensurables est équivalent à un modèle d’Anderson de

dimension d. Il « suffit » donc d’ajouter une fréquence supplémentaire (ce qui est très simple

expérimentalement) pour avoir un modèle d’Anderson 4D. Au-delà de l’intérêt évident d’étudier

expérimentalement un système 4D, cette étude peut permettre de trancher une question théorique ouverte qui

est la détermination de la dimension critique supérieure. Des arguments théoriques indiquent en effet que pour

une dimension suffisamment élevée – la dimension critique supérieure – une transition de phase quantique doit

Figure 2.3-4: Trajectoires d’un paquet d’onde atomique dans un réseau optique 2D modulé. Le choix adéquat des paramètres de la modulation permet d’imprimer au paquet un mouvement pratiquement

arbitraire.



janvier 2013

72

avoir le comportement prédit par la théorie de champ moyen, en l’occurrence, pour la transition d’Anderson,

avec un exposant critique = 1.

En pratique, cependant, la réalisation de l’expérience n’est pas aussi simple : plus la dimension est

élevée, plus la dynamique est « lente » et plus il faut appliquer des kicks pour atteindre le régime

asymptotique. Or, le montage utilisé lors de nos derniers résultats publiés nous limite à 200 kicks,

essentiellement dû à la chute des atomes, ce qui est nettement insuffisant pour l’observation de la transition en

4D. Nous avons donc réalisé récemment une restructuration majeure du montage permettant d’utiliser une onde

stationnaire verticale pour appliquer les kicks. Bien évidemment, cela ne réalise pas un rotateur frappé, car les

atomes sont accélérés par la gravité. Nous avons donc reconçu notre système laser pour permettre de varier

indépendamment la phase d’un des bras de l’onde stationnaire par rapport à l’autre. On peut facilement

montrer qu’une variation quadratique de cette phase produit une accélération des nœuds de l’onde

stationnaire. En réglant cette accélération de façon à ce que celle-ci égale l’accélération de la gravité, nous

réalisons un vrai rotateur frappé dans le système de référence dans lequel les atomes sont au repos (une autre

façon de voir ceci est de considérer que le passage dans un référentiel accéléré génère une force inertielle qui

compense la gravité).

Ce système est actuellement opérationnel. Comme bonus, le fait d’utiliser une onde stationnaire verticale

nous permet d’utiliser une détection par temps de vol, qui est beaucoup plus efficace : elle permet d’obtenir

une distribution de vitesses complète en un seul coup, alors que la détection par des transitions Raman

stimulées utilisée auparavant ne permettait de mesurer qu’une classe de vitesse par coup. Nous nous apprêtons

donc actuellement à réaliser la caractérisation expérimentale de la transition d’Anderson à 4D.

L’évolution à plus long terme de notre activité expérimentale implique la réalisation d’un condensat de

Bose-Einstein. Nous avons très récemment obtenu de l’ANR un financement pour ce projet dans le cadre du

programme « Blanc » 2013. Nous avons choisi de produire des condensats de Bose-Einstein de potassium, ce qui

permettra de réaliser des études expérimentales avec un contrôle très fin des interactions entre atomes. En

effet, l’atome de potassium possède des caractéristiques très favorables : d’une part, une transition à 766 nm

qui peut être excitée avec du rayonnement généré par doublage de fréquence à partir des sources « télécom »

(ce qui fait le lien avec l’« activité fibres optiques » décrite ci-dessous) et des résonances de Feschbach larges

et accessibles, ce qui enrichira considérablement notre système expérimental. Des études théoriques

préliminaires (non publiées) ont déjà été réalisées dans le cadre de la thèse de B. Vermersch et de l’ANR

théorique LAKRIDI : une analyse de Bogoliubov de la dynamique d’un condensat soumis à des kicks d’une onde

stationnaire a montré que la cohérence du condensat peut survivre – dans des conditions correspondant à

l’expérience – à quelques centaines de kicks, même si cela s’accompagne d’une diminution du nombre d’atomes

condensés. De plus, nous avons montré que les quasi-particules subissent elles-mêmes une transition

d’Anderson, ce qui veut dire que les caractéristiques de la transition restent visibles pour des niveaux modérés

des interactions, même si on s’attend à une destruction de phase localisée à de temps suffisamment longs. On

est donc confrontés à une physique très intéressante : on peut d’une certaine façon observer une transition

métal-isolant avec un caractère transitoire ! La transformation progressive de cette « quasi-transition » en un

crossover avec la mise en route d’un régime de sous-diffusion à la place de la phase localisée constituera un

résultat majeur dans la compréhension de la dynamique des modèles d’Anderson en présence d’interactions. Il

est clair qu’un beau champ de recherches s’ouvrira devant nous grâce à l’utilisation d’atomes ultrafroids avec

des interactions parfaitement contrôlées.

Du point de vue théorique, un défi majeur auquel nous allons nous confronter est la compréhension de

l’émergence des comportements non linéaires (et donc chaotiques) dans les systèmes quantiques à plusieurs

corps fortement corrélés, dont l’équation de Gross-Pitaevskii est l’exemple le plus simple. Pour cela, nous

comptons réaliser une étude comparative poussée, théorique et numérique, entre les dynamiques chaotiques

prédites par l’équation de Gross-Pitaevskii dans des modèles très simples [Thommen03, Lepers09] et la

dynamique prédite dans le même système par des approches à plusieurs corps comme le modèle de Bose-

Hubbard. La principale limitation technique actuelle pour cette étude est posée par les moyens de calcul

relativement faibles auxquels nous avons accès, mais nous comptons réaliser des demandes de temps de calcul

sur les grands systèmes nationaux (IDRIS, etc.). Nous pourrons aussi bénéficier de moyens de calcul mutualisés

dans le cadre d’une ANR du programme « Modèles numériques » (BECASIM – Bose-Einstein Condensate advanced

simulation) dont nous sommes partenaires avec nos collègues mathématiciens du Labex CEMPI. Il s’agira alors



janvier 2013

73

d’explorer dans le détail les mécanismes permettant de comprendre comment un système linéaire de particules

en interaction peut générer des quantités moyennées sur l’ensemble exhibant des comportements non linéaires.

L’avènement des systèmes quantiques dégénérés (condensats de Bose-Einstein et gaz de Fermi) a fait

entrer la non-linéarité et les comportements chaotiques dans le domaine de la mécanique quantique, dont ils

étaient jusqu’à maintenant en grande partie absents. Cette « nouvelle » mécanique quantique exigera de

nouveaux outils : l’analyse spectrale, par exemple, omniprésente dans la mécanique quantique linéaire, n’y est

d’aucune aide. Les compétences expérimentales et théoriques de notre équipe, ainsi que son intégration avec

des mathématiciens dans le Labex CEMPI nous place en très bonne position pour continuer à jouer un rôle de

grande visibilité internationale dans ce domaine.

Références

[Casati79] G. Casati, B. V. Chirikov, J. Ford and F. M. Izrailev, Stochastic behavior of a quantum

pendulum under periodic perturbation, Lect. Notes Phys. 93, 334 (1979)

[Casati89] G. Casati, I. Guarneri and D. L. Shepelyansky, Anderson transition in a one-dimensional

system with three incommensurable frequencies, Phys. Rev. Lett. 62, 345—348 (1989)

[Moore95] F. L. Moore, J. C. Robinson, C. F. Bharucha, B. Sundaram and M. G. Raizen, Atom Optics

Realization of the Quantum δ-Kicked Rotor, Phys. Rev. Lett. 75, 4598—4601 (1995)

[Chabé08] J. Chabé, G. Lemarié, B. Grémaud, D. Delande, P. Szriftgiser and J. C. Garreau,

Experimental Observation of the Anderson Metal-Insulator Transition with Atomic Matter Waves, Phys.

Rev. Lett. 101, 255702 (2008)

[Delande09] D. Delande, J. C. Garreau, L. Sanchez-Palencia and B. A. van Tiggelen, La localisation

forte d'Anderson, Images de la Physique p. 70--74 (2009)

[Garreau09] J. C. Garreau, P. Szriftgiser, G. Lemarié and D. Delande, La transition métal-isolant

d'Anderson observée avec un gaz atomique froid en régime chaotique, Images de la Physique p. 81--86

(2009)

[Fishman82] S. Fishman, D. R. Grempel and R. E. Prange, Chaos, Quantum Recurrences, and

Anderson Localization, Phys. Rev. Lett. 49, 509—512 (1982)

[Fishman12] S. Fishman, Y. Krivolapov and A. Soffer, The nonlinear Schrödinger equation with a

random potential: results and puzzles, Nonlinearity 25, R53 (2012)

[Ivanchenko11] M. V. Ivanchenko, T. V. Laptyeva and S. Flach, Anderson Localization or Nonlinear

Waves: A Matter of Probability, Phys. Rev. Lett. 107, 240602 (2011)

[Lemarié09a] G. Lemarié, B. Grémaud and D. Delande, Universality of the Anderson transition with

the quasiperiodic kicked rotor, EPL (Europhysics Letters) 87, 37007 (2009)

[Lemarié09b] G. Lemarié, J. Chabé, P. Szriftgiser, J. C. Garreau, B. Grémaud and D. Delande,

Observation of the Anderson metal-insulator transition with atomic matter waves: Theory and

experiment, Phys. Rev. A 80, 043626 (2009)

[Lemarié10] G. Lemarié, H. Lignier, D. Delande, P. Szriftgiser and J. C. Garreau, Critical State of

the Anderson Transition: Between a Metal and an Insulator, Phys. Rev. Lett. 105, 090601 (2010)

[Lepers08] M. Lepers, V. Zehnlé and J. C. Garreau, Kicked-rotor quantum resonances in position

space, Phys. Rev. A 77, 043628 (2008)

[Lepers09] M. Lepers, V. Zehnlé and J. C. Garreau, Tracking Quasiclassical Chaos in Ultracold

Boson Gases, Phys. Rev. Lett. 101, 144103 (2008)

[Lopez12] M. Lopez, J.-F. Clément, P. Szriftgiser, J. C. Garreau and D. Delande, Experimental Test of

Universality of the Anderson Transition, Phys. Rev. Lett. 108, 095701 (2012)

[Lopez13] M. Lopez, J.-F. Clément, G. Lemarié, D. Delande, P. Szriftgiser and J. C. Garreau, Phase

diagram of the anisotropic Anderson transition with the atomic kicked rotor: theory and experiment ,

New J. Phys 15, 065013 (2013)

http://link.aps.org/abstract/PRL/v62/p345

http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.75.4598




http://stacks.iop.org/0951-7715/25/i=4/a=R53


http://dx.doi.org/10.1209/0295-5075/87/37007

http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.80.043626





http://stacks.iop.org/1367-2630/15/i=6/a=065013



janvier 2013

74

[Rodriquez11] A. Rodriguez, L. J. Vasquez, K. Slevin and R. A. Römer, Multifractal finite-size scaling

and universality at the Anderson transition, Phys. Rev. B 84, 134209 (2011)

[Thommen02] Q. Thommen, J. C. Garreau and V. Zehnlé, Theoretical analysis of quantum dynamics in

one-dimensional lattices: Wannier-Stark description, Phys. Rev. A 65, 053406 (2002)

[Thommen03] Q. Thommen, J. C. Garreau and V. Zehnlé, Classical Chaos with Bose-Einstein

Condensates in Tilted Optical Lattices, Phys. Rev. Lett. 91, 210405 (2003)

[Thommen11] Q. Thommen, J. C. Garreau and V. Zehnlé, Quantum motor: Directed wave-packet

motion in an optical lattice, Phys. Rev. A 84, 043403 (2011)

[Vermersch12] B. Vermersch and J. C. Garreau, Interacting ultracold bosons in disordered lattices:

Sensitivity of the dynamics to the initial state, Phys. Rev. E 85, 046213 (2012)

[Vermersch13] B. Vermersch and J. C. Garreau, Spectral description of the dynamics of ultracold

interacting bosons in disordered lattices, New J. Phys 15, 045030 (2013)

Faits marquants et publications marquantes

Etude de la transition d’Anderson avec le rotateur frappé quasi-périodique : Première détermination

expérimentale de l’exposant critique de cette transition, vérification de son « universalité », détermination

expérimentale du diagramme de phase de la transition, étude de la fonction d’onde critique.

Etude de la localisation d’Anderson en présence d’interactions ; étude de l’effet des interactions non

linéaires sur la transition d’Anderson du rotateur frappé quasi-périodique.

Quelques publications choisies :

M. Lopez, J.-F. Clément, G. Lemarié, D. Delande, P. Szriftgiser and J. C. Garreau, Phase diagram of the

anisotropic Anderson transition with the atomic kicked rotor: theory and experiment , New J. Phys 15,

065013 (2013), special issue “Frontiers of disorder physics”.

B. Vermersch, J. C. Garreau, Spectral description of the dynamics of ultracold interacting bosons in

disordered lattices, New J. Phys. 15, 045030 (2013), special issue “Frontiers of disorder physics”.

B. Vermersch, J. C. Garreau, Interacting ultracold bosons in disordered lattices: Sensitivity of the

dynamics to the initial state, Phys. Rev. E 85, 046213 (2012)

M. Lopez, J.-F. Clément, P. Szriftgiser, J. C. Garreau, D. Delande, Experimental test of Universality of

the Anderson transition, Phys. Rev. Lett. 108, 095701(2012).

Q. Thommen, J. C. Garreau, V. Zehnlé, Quantum motor: directed wavepacket motion in an optical

lattice, Phys. Rev. A 84, 043403 (2011). Une image de cet article a été sélectionnée pour le

« kaleidoscope » de Physical Review A.

G. Lemarié, H. Lignier, D. Delande, P. Szriftgiser, J. C. Garreau, Between a metal and an insulator: the

critical state of the Anderson transition, Phys. Rev. Lett. 105, 090601 (2010). Cet article a été choisi

comme “editors reading suggestion” ainsi que pour une “Physics Synopsis -- spotlighting exceptional

research”.

J. Chabé, G. Lemarié, B. Grémaud, D. Delande, P. Szriftgiser, J. C. Garreau, Experimental observation of

the Anderson transition with atomic matter waves, Phys. Rev. Lett. 101, 255702 (2008). Cet article a

été choisi comme “editors reading suggestion” ainsi que pour un “Physics Viewpoint -- spotlighting

exceptional research”.

M. Lepers, V. Zehnlé, J. C. Garreau, Tracking quasi-classical chaos in ultracold boson gases, Phys. Rev.

Lett. 101, 144103 (2008).

Outils et Méthodologie

L’expérience du rotateur frappé quasi-périodique utilise un montage de refroidissement d’atomes par

laser standard. Ces atomes interagissent avec une onde stationnaire dont les propriétés temporelles peuvent

être contrôlées de façon très fine. Une nouvelle géométrie de l’onde stationnaire, selon la direction verticale, a

http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.84.134209




http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevE.85.046213

http://stacks.iop.org/1367-2630/15/i=4/a=045030



janvier 2013

75

été implémentée récemment sur l’expérience. Elle permettra d’une part la détection de toute la distribution

des vitesses « en monocoup » (par temps de vol) et d’autre part d’augmenter le temps d’interaction des atomes

avec l’onde stationnaire, pour pouvoir accéder à des régimes expérimentaux jusqu’ici inaccessibles, dans le but,

par exemple, d’étudier la localisation d’Anderson dans d’autres dimensions (2D, 4D).

L’activité théorique utilise des techniques de simulation numérique standard (split -step, Runge-Kutta,

calcul parallèle sur cluster) et commence à inclure des techniques plus avancées (Monte-Carlo quantique, DMRG,

troncature de Husimi, Bose-Hubbard), mais est encore limitée par la relative modestie des moyens de calcul

dont elle dispose. Dans le cadre des collaborations nouées au sein du Labex CEMPI, une évolution vers un usage

plus intensif de ces techniques sophistiquées sera sans doute nécessaire.

2.3.3 Equipe Instabilités

Présentation de l’équipe

L'équipe est constituée de deux permanents, Daniel Hennequin (CR1) et Philippe Verkerk (DR2). Elle

accueille actuellement deux étudiants en Thèse, Rudy Romain et Julia Diaz-Luque. Pendant les 5 dernières

années, elle a aussi accueilli de nombreux étudiants de Master 2 pour leur stage de recherche. Pour ne citer que

les derniers, nous mentionnerons : Hélène Louis (2013), Mariéme N'Diaye (2012-13), Antoine Jallageas (2012),

Nicolas Khoury (2012).

L'activité de recherche de l'équipe s'articule autour de l'étude du chaos classique dans deux systèmes

radicalement différents. D'une part, nous étudions les instabilités qui apparaissent dans le piège magnéto-

optique (PMO) lorsque celui contient beaucoup d'atomes. Bien qu'il soit très utilisé depuis un quart de siècle, le

comportement dynamique du PMO est mal compris et sa description théorique très insuffisante. Nous menons de

front des études expérimentales et le développement de modèles théoriques pour mieux cerner les phénomènes

physiques à l'œuvre dans le PMO. Le second système à l'étude est un réseau optique conservatif à deux

dimensions. Il est bien connu qu'un système conservatif à une dimension est intégrable et ne présente pas de

comportement chaotique. A moins de lui ajouter un forçage externe (cf. JCG), ce qui a pour défaut de limiter

les routes possibles vers le chaos. Nous nous intéressons donc au système le plus simple pouvant présenter du

chaos autonome (sans forçage) : un atome dans un réseau optique statique non dissipatif à 2 dimensions

d'espace, ce qui donne un espace des phases à 4 dimensions (que la conservation de l'énergie réduit de fait à 3).

Ce système, dont nous n'étudions, pour l'instant, que les aspects théoriques, se prêterait bien à un passage dans

le régime quantique et pourrait offrir une autre approche au problème du « chaos quantique ».

En marge de cette activité de recherche, nous avons une forte implication dans la vie de l'UFR de

Physique (DH : responsable du service informatique, membre des commissions « finance » et

« communication » ; PV : responsable du service commun de mécanique, membre du CA et de la commission du

personnel). Nous participons aussi activement à la formation (DH : participation à des plans de formation pour

les enseignants du secondaire ; PV : organisation, chaque année, d'une école pré-doctorale sur le

refroidissement d'atomes par laser qui réunit 60 étudiants et une dizaine d'enseignants aux Houches pendant 2

semaines). La diffusion des connaissances vers le public, plus ou moins large, fait également partie de nos

préoccupations : organisation et/ou participation à des manifestations scientifiques, locales ou nationales (en

particulier, une exposition « un chercheur, une manip » au Palais de la Découverte, 1er octobre – 15 décembre

2008), participations à des salons « d'information » pour lycéens ou étudiants, interventions en lycées, collèges

ou écoles primaires. . DH est également l’auteur de la série de vidéos enrichies Kezako (kezako.unisciel.fr), qui

remporte un grand succès tant auprès du grand public, des enseignants (par ex., utilisé en licence à Bordeaux I),

des entreprises (par ex., intégré dans les plans de formation d’EADS) et des professionnels (prix du court

métrage au festival du film pédagogique). Enfin, notre implication est également importante au niveau national

(DH : membre du CA de la SFP, membre des comités scientifiques PAMO et COLOQ) et international (organisation

de plusieurs conférences internationales).


Dans chacun des domaines explorés par l'équipe, nous ne retiendrons qu'une publication marquante. Pour

l'étude des instabilités, il s'agit de « Phase-space description of the magneto-optical trap » R. Romain et al.,



janvier 2013

76

EPJD 61, 171 (2011), article dans lequel nous établissons le premier modèle complet qui décrit de façon

satisfaisante la dynamique spatio-temporelle d'un nuage d'atomes refroidis à 1D. Nous y introduisons la densité

dans l'espace des phases et nous aboutissons à une équation de type Vlasov-Fokker-Planck (VFP), couplée à

l'évolution de l'intensité des lasers due à l'absorption. Cette équation de VFP se rencontre dans d'autres

domaines de la physique, en particulier dans celui des plasmas. Des études antérieures avaient déjà noté cette

similitude, mais les différences n'avaient pas été relevées alors qu'elles sont importantes. D'autre part, les

instabilités du PMO sont observées avec des faisceaux lasers assez intenses. Or la théorie n'est simple que si on

peut supposer que les atomes ne sont pas saturés. Certains auteurs n'hésitent pas à utiliser des expressions en

dehors de leur domaine de validité, mais cela laisse planer des doutes sur la fiabilité des prédictions. Nous avons

établi, pour les coefficients de friction et les sections efficaces de ré-absorption, des expressions qui sans être

exactes s'appliquent au domaine des paramètres qui nous intéressent. Cet article peut être vu comme la pierre

angulaire de la thèse de Rudy Romain.

Sur les réseaux optiques, nous citerons « Synchronization in non dissipative optical lattices » D.

Hennequin & P. Verkerk, EPJD 57, 95 (2010). Dans cet article, nous étudions le mouvement classique d'un atome

dans le potentiel créé par la figure d'interférences de deux ondes stationnaires orthogonales. En fonction de la

phase relative entre ces deux ondes stationnaires, nous avons un bouton pour régler le couplage entre les deux

directions. Nous pouvons passer continument d'une situation où les mouvements sont séparables (donc pas de

chaos possible) à un couplage modéré ou fort. Le résultat, quelque peu surprenant de notre étude, est que

l'apparition du chaos dans ce système est moins liée à la « force » du couplage qu'à la présence ou pas de

résonance. En particulier, la coïncidence entre les deux fréquences pour les oscillations de faibles amplitudes

(au fond des puits de potentiel) va inhiber l'apparition du chaos même pour des énergies élevées (toutefois à

l'intérieur des puits). Les fortes non linéarités, qui se manifestent par des mouvements qui n'ont plus rien

d'harmoniques, n'arrivent pas à rendre ce système chaotique. Il n'apparaît pas, ou très peu, de sensibilité aux

conditions initiales. Ce constat est le point de départ de l'étude théorique que mène Julia Diaz -Luque sur de tels

réseaux optiques, dans le cadre de sa thèse.


Comme nous l'avons mentionné plus haut, l'étude de la dynamique classique d'un atome dans un réseau

optique non dissipatif est purement théorique. Elle s'appuie principalement sur le calcul numérique de

trajectoires classiques dans le potentiel choisi. Les trajectoires dans l'espace des phases à 4D étant difficiles à

visualiser, nous utilisons les outils usuels (sections de Poincaré...) pour les représenter en 2D. La dimension

fractale d'une trajectoire chaotique peut être déterminée avec des méthodes standard (Grassberger &

Procaccia...). Nous avons également estimé la « portion de l'espace des phases » exploré par une trajectoire.

Pour un jeu de paramètres donnés (énergie des atomes et phase entre les faisceaux, par exemple), le calcul

d'une série de trajectoires (pour des conditions initiales différentes) nous donne une estimation chiffrée du

« degré de chaos ». On peut alors suivre l'évolution de cet estimateur en fonction des paramètres.

Pour comprendre l'origine des comportements observés, nous avons aussi mené des calculs analytiques sur

des systèmes plus simples. En particulier, on peut ne retenir que les premiers termes non harmoniques dans le

potentiel. On a alors deux pendules de Duffing couplés avec lesquels nous pouvons faire des prédictions. Cela

permet, d'une part, de vérifier les calculs numériques (dans une plage de paramètres limitée) et, d'autre part,

de mettre le doigt sur les processus à l'origine du comportement observé.

Le prolongement naturel de ce travail est d'étudier le comportement quantique d'un système dans lequel

le chaos classique est très développé. Eventuellement, à terme, des expériences pourraient venir compléter ces

études théoriques.



janvier 2013

77

Figure 2.3-5 : En fausses couleurs : amplitude de la composante à 21 Hz de la fluorescence du nuage d’atomes froids. Les lignes de niveaux correspondent à l'intensité de la fluorescence.

L'étude des instabilités du PMO conjugue, elle, à la fois des développements théoriques et des

expériences. Pour ces dernières, nous utilisons un PMO comme il en existe des centaines, mais nous nous

intéressons aux variations de forme et de taille du nuage qui apparaissent quand ce dernier contient beaucoup

d'atomes. Le contrôle des paramètres (fréquence et intensité des lasers, par exemple) doit faire l'objet d'une

attention particulière, car nous voulons observer les variations intrinsèques du nuage d'atomes froids et pas

celles dues à d'éventuelles fluctuations des paramètres. La fréquence des variations locales de densité est

comprise entre 10 et 100 Hz, ce qui la met hors de portée d'une caméra vidéo standard. Nous nous sommes donc

équipés d'une caméra rapide qui nous permet de prendre jusqu'à 10 000 images par seconde. Cette caméra nous

a permis d'observer l'évolution de la fluorescence du nuage et nous avons constaté que les variations sont plus

prononcées en des points qui ne coïncident pas avec le maximum d'intensité. Nous avons, par ailleurs, réalisé

que de simples mesures sur la taille d'un nuage d'atomes froids permettent d'évaluer la section efficace de ré-

absorption des photons, quantité très importante pour bien décrire la dynamique du nuage et dont le calcul est

pour le moins laborieux.

Sur le plan théorique, nous avons décrit la dynamique du PMO par sa densité dans l'espace des phases. Son

évolution est régie par une équation de Vlasov-Fokker-Planck, les forces mises en jeu dépendant de l'intensité

lumineuse vue par les atomes. D'autre part, à cause de l'absorption de la lumière par les atomes, l'évolution de

l'intensité des faisceaux dépend de cette même densité. On aboutit donc à un système d'équations non linéaires

couplées. L'équation de Vlasov-Fokker-Planck se rencontre également dans la physique des accélérateurs de

particules, et nous avons entamé une collaboration avec le groupe de Serge Bielawski qui dispose de programmes

pour la résoudre. Toutefois, la dynamique dépend crucialement des non linéarités introduites. Une partie

importante du travail consiste donc à calculer, en faisant le moins d'approximations possibles, les effets des

faisceaux lasers intenses sur les atomes et réciproquement. Jusqu'à présent, les modèles développés sont tous à

1D, comme les simulations. Il serait intéressant de se pencher sur le problème réel qui est à 3D.

2.3.4 Activité Fibres Optiques

Présentation de l’activité

Depuis 2003, l’activité de l’équipe Chaos quantique s’est diversifiée avec une thématique fibre optique et

optique non linéaire dans le cadre du CERLA transfert (Resp. Pascal Szriftgiser) et de l’IRCICA. En collaboration

avec Denis Bacquet (IE) et Marc Le Parquier (IE), les sujets d’études y sont nombreux. Ils vont du fondamental à

l’appliqué, avec des thèmes qui recouvrent la diffusion Brillouin stimulée dans les fibres optiques pour la

caractérisation structurelle de fibre microstructurées (collaboration A. Kudlinski, PhLAM-IRCICA ainsi que JC

Beugnot et V Laude, Femto ST, Besançon), la suppression du Brillouin (Contrat CEA) et l’amplification

paramétrique dans les fibres optiques (ces deux sujets en collaboration avec A. Mussot, PhLAM-IRCICA), ou

encore la réalisation de laser à fibre Brillouin pour la génération de rayonnement THz ultra-cohérent

(collaboration G. Ducournau, IEMN, Villeneuve d’Ascq). Cette activité a également des retombées directes pour

l’équipe Chaos Quantique avec la réalisation par doublage de fréquence de sources adaptées au refroidissement

laser, basées sur des techniques de télécommunications optiques.



janvier 2013

78

Que ce soit pour des réseaux de Bragg, le control de la dispersion ou encore la génération de super-

continua, le contrôle de la structure de fibres optiques microstructurées est crucial pour de nombreux domaines

de l’optique linéaire et non linéaire. Or, au jour d’aujourd’hui et à notre connaissance, il n ’existe aucun moyen

de remonter à des informations structurelles sur une fibre optique de manière répartie et non destructive. Les

seules méthodes permettant d’avoir accès à ce genre d’information sont soit d’effectuer une coupe et une

observation au microscope au point de mesure souhaité, ce qui est à la fois destructif et fastidieux ; soit, ce

sont des méthodes indirectes qui consistent à prendre une mesure du diamètre extérieur de la fibre et demande

le déplacement mécanique d’un capteur. Avec une approche de type réflectométrie sur des modes acoustiques

d’ordre élevé, on pourrait s’affranchir de ces difficultés. Nous avons conçu un réflectomètre Brillouin de type

vectoriel qui possède de loin la plus grande dynamique jamais atteinte par ce type d'apparei l (60 dB, contre

plutôt 30 habituellement dans des conditions comparables) [4]. De plus, comme il est vectoriel, il fournit

également pour la première fois des spectrogrammes de phase en réflectométrie Brillouin. Sa très grande

dynamique lui permet l’observation de modes « hybrides » très peu intenses qui résultent du couplage entre le

mode acoustique longitudinale et des modes de gaines à la sensibilité géométrique exacerbée. La détection de

défauts structurels dans une fibre optique étant difficile, le plus simple est de fabriquer ce défaut. En

collaboration avec A. Kudlinski (PhLAM, IRCICA), nous avons conçu et réalisé une fibre à diamètre variable. Les

résultats de la caractérisation de cette fibre sont reproduits sur la figure ci-dessous.

Par ailleurs, nous avons développé une configuration originale de cavité laser Brillouin à fibre qui a la

particularité de permettre l’injection inconditionnelle d’une (ou plusieurs) pompe(s) qui peuvent donc être

balayées en fréquence [8]. Comme le laser Brillouin a un effet réducteur sur la largeur spectrale de sa pompe

par deux à trois ordres de grandeur, nous avons utilisé ces sources pour des applications d’analyse spectrale

dans un premier temps. Il est ensuite apparu qu’elles étaient particulièrement bien adaptées à la génération de

rayonnements cohérents dans le domaine du THz par différence de fréquence. En collaboration avec l’IEMN qui

fabrique les photos mélangeurs THz, nous avons produit un rayonnement à 300 GHz avec une largeur à mi-

hauteur de l'ordre du kilohertz et des bruits de phase meilleure qu'une source électronique au-delà de 10 kHz

par rapport à la porteuse [2]. L'objectif est d'affiner encore cette largeur et de monter en fréquence pour

atteindre la barre du THz. En cascadant deux lasers Brillouin, nous sommes déjà parvenus à des largeurs de

l'ordre de quelques dizaines de hertz pour une porteuse de 1.02 THz. Actuellement nous n'avons toujours pas

trouvé la limite en termes de finesse des lasers Brillouin. On peut aussi remarquer que pour ce système, à part

la stabilisation initiale en température et en courant des diodes de pompe, il n'y a aucun asservissement. Toutes

les stabilisations sont faites par des isolations passives. Contrairement aux références optiques métrologiques,

cette source THz est accordable en fréquence. C'est potentiellement intéressant car de nombreuses applications

(télécommunications, radar, domaine médical,…) ont besoin de sources stables et cohérentes pour de la

détection hétérodyne mais avec une contrainte moindre sur l'exactitude en fréquence. L’application des

télécommunications en particulier nous intéresse au plus haut point. En effet, les sources cohérentes THz

ouvrent la voie à des formats de modulation vectoriels. Si aujourd'hui les débits en télécommunications par fibre

optique au niveau des dorsales transocéaniques excèdent le Tb/s, pour l'utilisateur final lors de la transmission

par voie hertzienne (WiFi), le débit reste relativement modeste : 100 Mb/s à 1 Gb/s tout au plus. En montant la

fréquence de la porteuse à 400 GHz, nous avons démontré une transmission de données à un taux de 40 Gb/s, ce

qui constitue un record du monde à ce jour (soumis pour publication). Le projet de repousser encore les limites

du débit par des techniques vectorielles a été labélisé dans le cadre de l’Equipex FLUX et vient d’obtenir un

financement ANR (programme INFRA 2013, IEMN, PhLAM, Thalès TRT, IPR, TEMATYS).



janvier 2013

79

Figure 2.3-6: (a) Spectrogramme d’intensité d’une fibre microstructurée de diamètre variable. (b) Spectrogramme de phase correspondant. (c) et (d) sont des zooms sur le mode hybride de respectivement (a) et (b). On observe bien une variation linéaire de la fréquence de ces modes avec la variation du pas du réseau de la fibre (axe rouge des abscisses en haut) avec une réponse à la variation structurelle bien plus importante pour le mode hybride, que pour le mode fondamentale. Pour les petits diamètres de la fibre, il y a toutefois une réponse complexe de la fréquence du mode hybride qui est interprétée en termes d’anti-croisement de niveaux acoustiques et qui pourrait déboucher sur de nouvelles applications. (La fin de la portion de fibre est constituée d’une zone étalon à diamètre constant qui est également visible).


La publication : [5] (EL 46, 1349–1351 (2010)) a fait l’objet d’un “Feature” dans Electronics Letters, Putting THz on the spot, H. Dyball [EL 46, Iss. 19, p.1306 (2010)], ainsi que d’un “IET Achievement Award”.

La publication [6] (Optics Letters 35, 1786 (2010)) a fait la revue de presse de Nature Photonics, Nature Photonics Research Highlights, [NP Vol. 4, Iss. 8, p.501 (2010)].

2.4. Physico-chimie moléculaire théorique

11 Permanents : Stéphane Briquez (MCF) ; Denis Duflot (MCF, HDR) ; Jean-Pierre Flament (DR, CNRS,

retraité depuis décembre 2009) ; Maurice Monnerville (PR) ; Isabelle Noiret (MCF) ; Brigitte Pouilly (PR) ; Florent

Réal (MCF, recruté en 2009), André Severo Pereira Gomes (CNRS, CR2, recruté en 2009) ; Joël Schamps (PR

Emérite depuis Septembre 2011) ; Céline Toubin (MCF) ; Valérie Vallet (CNRS, CR, HDR).

Post-doctorants : Florent Réal (2008-2009, 18 mois ; « Calibration of computational solvent models for

application in nuclear sciences”); Belén Ordejón (2008-2009, 12 mois; “Modélisation ab initio de la

luminescence des fibres dopées par l’ion bismuth”); André Severo Pereira Gomes (2009, 6 mois ; Modélisation ab

initio de la luminescence des fibres dopées par l’ion bismuth”)

Doctorants : Cécile Danilo, « Theoretical modelling of actinide spectra in solution », cotutelle Université

Lille 1 - Université de Stockholm (2005–2008) : professeur CAPESsienne de Physique-Chimie depuis septembre

2009.; Laureline Hormain « Étude théorique de l’interaction avec la surface de la glace de molécules halogénées

d’intérêt atmosphérique », Université Lille 1 (2008-2012) ; en recherche d’emploi.; Yansel Omar Guerrero



janvier 2013

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Martínez, « Developments of many-body force-field models for ion solvation properties » cotutelle Université

Lille 1 - INSTEC La Havane (2010–2013) ; Assistant Professor à l’INSTEC La Havane.; Phillip Peters, « Etude

théorique de la réactivité de l'hydrogène avec CO, H2CO et H3COH à la surface des grains interstellaires »,

(2010-2012) codirection avec Laurent Wiesenfeld (IPAG, Grenoble) ; post-doctorant à l’open University,

Angleterre.; Alejandro Rivero Santamaría, « Études théoriques classique et quantique de la collision réactive

Si + OH → SiO + H », cotutelle Université Lille 1 - INSTEC La Havane (2010–2013); Assistant professor à l’INSTEC

La Havane.

Séminaire du groupe: Dans la période 2008-2013, nous avons eu 10 invités pour le séminaire du groupe (doctorants, post-doctorants et chercheurs/enseignants-chercheurs). Responsabilité d’enseignement

Responsable Licence Professionnelle Energie et Génie Climatique – Energies Renouvelables et Efficacité Energétique (C. Toubin)

Directeur des études (S4, S5, S6) de la licence de Physique, parcours « Physique et Instrumentation » (M. Monnerville)

Membre du groupe de formation du Labex CaPPA (master international « Atmospheric Environment ») (M. Monnerville)

Formation par la recherche

Encadrement de 6 stagiaires L6 (F. Réal, C. Toubin, V. Vallet, M. Monnerville)

Encadrement K. Sidi-Said, doctorante de l’Université Houari Boumédienne, 3 mois

Cours « Chimie Théorique pour les actinides », Summer Schools on Actinide Science (2009, 2011, 2013), Karlsruhe, Allemagne (V. Vallet)

Cours ‘Surface reactions’ à l’école COST ‘Molecular Processes for Astrochemistry’, mars 2012, (C. Toubin)

Production scientifique a) Diffusion scientifique : 54 (+ 5 soumises) publications ; 21 conférences invitées, 35 conférences orales, 10

séminaires, 42 posters

b) Développements de logiciels:

DIRAC (http://www.diracprogram.org): A relativistic electronic structure code;

XCFUN, A library of approximate exchange-correlation functionals (http://admol.org/xcfun/);

PYADF, A scripting framework for multiscale quantum chemistry (http://www.pyadf.org);

EPCISO, code d’interaction de configurations spin-orbite. Rayonnement et attractivité

a) Projets, programmes et réseaux :

9 projets JRP 01-12, JRP 02-06, JRP04-13, JRP 06-11, JPR-14, JRP-15, JRP-18, JRP-C3-10, JRP-C5-08 financées par les différentes générations du réseau européen ACTINET (ACTINET NoE), l'actuel ACTINET-I3 (http://www.actinet-i3.e), et tout récemment le réseau TALISMAN. Environ 15 kEuros par projet.

ANR FORCOMS (500 kEuros) (2008-2012)

ANR PARCS (400 kEuros) (2014-2016)

ANR- Excat3 (collaborateurs) (10 kEuros)

Projet avec IRSN-Cadarache (2013-2014) : 65 kEuros

PHC Barrande 19493ZH (2009-2010), 26513PA (2012-2013) (accueil de 4 étudiants tchèques) : (6,5 kEuros)

PCMI (2012, 2013) (4 kEuros)

LEFE (Les Enveloppes Fluides et l’Environnement) (2009)

COST Chemical Cosmos (2008-2013), COST EIPAM (2005-2009), ECCL (2009-2013)

Animation et participation au GDR national CORREL : “Méthodes corrélées pour la structure électronique” (V. Vallet, membre du bureau)

Animation et participation au GDR national « Dynamique quantique dans les systèmes moléculaires : Théorie, Modélisation, Simulation (THEMS) » (M. Monnerville, membre du bureau)

Participation au GDR national SUIE

BQR volet 3 (2010, 2011, 2012, 2013) (12500 €)

b) Participation aux programmes Investissements d’avenir Participation au Labex CaPPA : Work-Packages 2 et 6 (co-responsabilité scientifique, V. Vallet)

c) Organisation de conférences

http://www.diracprogram.org/

http://admol.org/xcfun/



janvier 2013

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Organisation de la conférence IMAMPC (International Meeting on Atomic and Molecular Physical Chemistry) 2013 à Lille (http://imampc2013.univ-lille1.fr)

Co-organisation de la 2ème édition du workshop international WAMP (Workshop on Atomic and Molecular Physics) en Juillet 2012 à Cuba (M. Monnerville)

Organisation d’un mini-colloque ‘Dynamique réactionnelle : Méthodes et applications’ au congrès PAMO-JSM en Juillet 2008 à Lille

Membre du comité local d’organisation de la conférence PAMO-JSM en Juillet 2008 à Lille (M. Monnerville)

Organisation d’un workshop ‘Modélisation de l’interaction et de la dynamique de systèmes simples dans un environnement aqueux’ en 2010 à Lille.

Membre du comité scientifique des conférences Migration of Radionucleides in the geosphere (V. Vallet)

Membre du comité scientifique des Journées Franco Libanaises ‘Physique et Interfaces’, octobre 2011 à Lille (C. Toubin)

Membre du comité scientifique de la conférence internationale « Photodynamics » (M. Monnerville)

Membre du comité scientifique des conférence internationale Migration « Chemistry and Migration Behaviour of Actinides and Fission Products in the Geosphere » (V. Vallet)

d) Accueil de professeurs invités

Accueil de Petr Slavicek (République Tchèque) dans le cadre du Collège Doctoral Européen en 2010

Accueil de Jesus Rubayo Soneira (INSTEC, La Havane ; 2 mois en 2011)

e) Travaux d’expertise, commissions, conseils

Expertise pour l’appel d’offre Basic Energy Science Office du Department of Energy (DOE), USA (3 projets) (V. Vallet)

2010 : Expertise pour la National Science Foundation, USA (V. Vallet)

Expertise pour projets ANR (C. Toubin)

Expertise d’un projet scientifique pour la région Franche Comté en 2009 et pour un BQR emploi 2012 de l’université Paris Sud (M. Monnerville)

Participation à 15 jurys de thèse en tant que rapporteur ou examinateur, ainsi qu'à 5 jurys d'HDR

f) Accueil en délégation CNRS : 2012-2014 (C. Toubin)

g) Distinctions Médaille de Bronze 2008 du CNRS, physique (V. Vallet)

h) Collaborations : o Groupes théoriciens : Dr. C. J. Jacob [Uni. Karlsruhe]; Dr. N. Galland [Université de Nantes] ; Dr. M. Masella

[DSV CEA Saclay] ; Dr. B. Schimmelpfennig [KIT Karlsruhe] ; Prof. L. Visscher, [VU University Amsterdam] ; Prof. U. Wahlgren [Université de Stockholm]; B. Gervais [CIMAP, Caen] ; N. Halberstadt [LCAR, Université de Paul Sabatier, Toulouse, France]; A. Simon, F. Spiegelman [LPCQ, Toulouse]; M. R. Hernández-Lamoneda, M. I. Bernal-Uruchurtu [Centro de Investigaciones Químicas, Universidad Autónoma del Estatdo de Morelos, Cuernavaca, Mexique]; S. Picaud [Institut UTINAM, Besançon, France]; L. Wiesenfeld, C. Ceccarelli [IPAG, Grenoble, France]; M. Roeselova [Institute of Organic Chemistry and Biochemistry, Academy of Sciences of the Czech Republic, Prague], P. Slavieck [Prague Institute of Chemical Technology, République Tchèque]; J. Rubayo Soneira [Instituto Superior de Tecnologias y Ciencias Aplicadas, La Havane, Cuba]; F. Dayou [LERMA, Observatoire de Meudon, France]; P. Larregaray, L. Bonnet, J. Mascetti [ISM, Université de Bordeaux I, France]; H.D. Meyer [Institute of Physical Chemistry, Université d’Heidelberg, Allemagne] ; F. Lique [LOMC, Le Havre] ; H.J. Fraser [Open University, Milton Keynes]

o Groupes d’expérimentateurs : Prof. I. Grenthe [KTH Stockholm] ; Dr. J. Champion, Dr. G. Montavon [Subatech, Nantes] ; Dr. L. Soderholm et Dr. R., E. Wilson [Argonne National Laboratory, USA]; N. Mason [Centre for Molecular and Optical Sciences Department of Physics and Astronomy, The Open University, Royaume Uni]; J. Delwiche & M.-J. Hubin-Franskin [Liège, Belgique]; A. Giuliani [Soleil & INRA Nantes]; S.V. Hoffmann [Aarhus, Danemark] ; P. Limão-Vieira [Lisbonne, Portugal] ; B.P. Marinkovic [Belgrade, Serbie] ; G. Martins [Rio de Janeiro, Brésil] ; H. Tanaka [Tokyo, Japon]

2.4.1 Présentation générale de l’équipe

Investie dans la modélisation théorique de processus physico-chimiques mettant en jeu des atomes, des

ions ou des molécules, isolés, en présence d’un agrégat, adsorbés sur une surface ou dans un environnement

solide ou solvaté, l’équipe Physico-Chimie Moléculaire Théorique (PCMT) du laboratoire PhLAM utilise les

http://imampc2013.univ-lille1.fr/



janvier 2013

82

méthodes de la Chimie Quantique couplées à celles la Dynamique Moléculaire classique et quantique.

Aujourd’hui, plusieurs thématiques décrivent l’activité du groupe avec, pour chacune d’elles, un volet

développement méthodologique et numérique important: Modélisation des propriétés chimiques et

spectroscopiques de complexes d'atomes lourds en phase gazeuse ou condensée, Spectroscopie en couches

internes et de valence de molécules d’intérêt biologique ou atmosphérique, Physicochimie de l’atmosphère et

Processus physico-chimiques pour l’astrophysique.

Toutes les thématiques de recherche ont comme préoccupation commune d’apporter des éléments de

compréhension sur les mécanismes moléculaires par l’application d’approches sophistiquées, le développement

de modèles complexes au sens large, d’algorithmes et l’utilisation d’outils de calcul numérique intensif (grappe

de calcul, supercalculateurs régionaux, nationaux, internationaux). Notons finalement que les activi tés de

l’équipe sont reconnues par son implication dans des réseaux d’excellence européens ou des grands programmes

d’action du CNRS, permettant de renforcer le positionnement de Lille dans le paysage de la modélisation

théorique en France ou à l’étranger.


Modélisation en dynamique quantique, résolution de l’équation de Schrödinger dépendante ou

indépendante du temps : paquets d'ondes quantiques, méthode Multi-Configuration-Time-Dependent-Hartree

(MCTDH), méthode close-coupling… Modélisation en dynamique classique: Dynamique Moléculaire, trajectoires

classiques.

Modélisation ab initio. Résolution de l'équation de Schrödinger électronique relativiste; Résolution de

l’équation de Dirac. Développement de champs de force polarisables ; Méthodes couplées « WFT-DFT », « WFT-

WFT », « DFT –DFT ». Modèle hybride Quantum Mechanics/ Molecular Mechanics (QM/MM).

Moyens informatiques en calcul intensif:

Supercalculateurs :

* 610 000 heures de calcul par an sur les supercalculateurs GENCI (IDRIS et CINES) ;

* 250 000 heures de calcul au centre d’Argonne National Laboratory (2012-2013)

* 2 000 000 heures de calcul au Pacific Northwest National Laboratory supercomputer center (partagées

avec d’autres collaborateurs)

* Supercalculateur CRI Lille1

Cluster de calcul du laboratoire PhLAM (300 CPUs) géré notamment par les membres de notre thématique.

2.4.2 Modélisation des propriétés chimiques et spectroscopiques de complexes d'atomes

lourds en phase gazeuse ou condensée

Cette thématique de recherche engagée depuis deux contrats quadriennaux a pour objectif de conforter

l’implantation à Lille d’une composante « modélisation ab initio des propriétés des ions lourds en phase

condensée » qui soit reconnue, non seulement pour la qualité de la méthodologie qu’el le développe et pour

l’intérêt intrinsèquement fondamental des questions qu’elle aborde, mais aussi pour ses facultés d’adaptation

aux problèmes rencontrés par les expérimentateurs et, en conséquence, pour la synergie qui en découle. Cette

thématique fut dynamisée en 2009 grâce au recrutement de deux collègues, André Severo Pereira Gomes comme

chargé de recherche CR2 CNRS et Florent Réal comme Maître de Conférences. Notre recherche promeut les

méthodes originales de la chimie physique théorique et computationnelle qui sont devenues des méthodes

d’analyse standard dans de nombreux domaines scientifiques. La modélisation théorique est un “laboratoire

virtuel” permettant d’étudier la matière de l’échelle atomique à l’échelle macroscopique afin de déterminer

quelles sont les forces qui régissent un processus ou une propriété donnés. Elle a pour vertu de pouvoir prédire

et guider le développement de nouveaux matériaux, notamment dans des cas où : (i) les processus sont très

complexes et ou l’analyse des résultats expérimentaux est difficile ; (ii) les processus se produisent à des



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échelles de temps ultra-rapides, ou sont trop rares pour être caractérisés expérimentalement ; (iii) les

expériences sont dangereuses, comme celle qui impliquent des éléments instables, métastables ou radioactifs.

Deux axes de recherche relèvent de ce thème, l'un portant sur les matériaux radioactifs, l'autre sur les

matériaux luminescents pour l'optique.

Dans le cadre du premier axe, nos travaux se concentrent sur l’étude des radionucléides et des matériaux

radioactifs qui sont au cœur des problématiques du stockage et du recyclage des déchets nucléaires et qui ont

incité les chercheurs modélisateurs et expérimentateurs à mener des recherches approfondies, aux niveaux

national, européen et international. Dans ce domaine, la collaboration théorie-expérience est cruciale et elle

permet de limiter le nombre d’expériences générant des déchets radioactifs. C’est un axe de recherche

fondamentale soutenu par Euratom au sein des réseaux européens ACTINET, ACTINET-I3 et TALISMAN financés

par les 6e et 7e PCRDT. Le CNRS est l’une des 7 institutions partenaires de ces réseaux européens, représentant

la France aux côtés du CEA. Notre groupe de recherche Physico-Chimie Moléculaire Théorique (PCMT) du

laboratoire PhLAM est l’un des principaux acteurs des activités de modélisation des radionucléides en phases

gazeuse et condensée.

Cependant, la recherche sur les radionucléides ne se limite pas aux problèmes de cycle de l’énergie

nucléaire, mais s’étend vers d’autres domaines. Citons en premier lieu, les problèmes de sûreté nucléaire, où

notre expertise en modélisation théorique nous a conduit à établir un contrat de collaboration avec l’IRSN-

Cadarache. Par ailleurs, nos activités s’ouvrent aussi vers la physico-chimie des produits de fission dans

l’atmosphère, qui est un des thèmes phares du LABEX CaPPA (“Chemical and Physical Properties of the

Atmosphere”), qui vient de débuter ses activités fin 2012. Dans le work-package “Hazard : dispersion, reactivity,

deposition of radionucleides”, le thème central est l’étude des processus d’interaction entre les radionucléides

et des composants d’aérosols. Dans la médecine nucléaire, les radionucléides sont aussi utiles comme marqueurs

radioactifs ou agents radiothérapeutiques. La collaboration avec les équipe de l’Université de Nantes et de

Subatech (Nantes) nous projette vers des études innovantes de radionucléides très mal connus, tel que l’astate.

(S. Wilbur, Nature Chemistry, 5, 246, 2013).

Dans tous ces domaines d’application, la modélisation se heurte aux difficultés liées d’une part à la

complexité de la structure électronique des éléments lourds, mais d’autre part à la nécessité de traiter les

interactions avec l’environnement qu’il soit microstructuré, solvaté, ou en phase condensée. Au cours de la

période 2008-2013, nous nous sommes engagés dans les développements et les évaluations de méthodes (FDE,

champs de force, EPCISO) adaptées aux systèmes de grande taille et/ou de structure électronique complexe, et

qui puissent offrir un bon équilibre entre précision et coût computationnel.

1) Développements méthodologiques pour la modélisation nanoscopique des radionucléides

Développement de champs de forces polarisables

Dans le cadre de la recherche sur les propriétés des radionucléides, l’un des thèmes majeurs sur lesquels

doivent se porter les efforts des groupes expérimentaux et théoriques est l’évaluation du risque rad iologique dû

aux actinides par la modélisation de leur migration et transfert dans le cycle biogéochimique naturel et jusqu’à

l’homme. Ceci implique de développer des modèles décrivant leur comportement en phase aqueuse et

condensée, ainsi qu'aux interfaces liquide-air et liquide-liquide. Ces aspects font actuellement l'objet du

développement de champs de forces à N-corps polarisables spécifiquement adaptés à la modélisation des

interactions radionucléides-environnement. Notre objectif est ambitieux: si dans un premier temps nous

souhaitons développer des modèles décrivant un ion solvaté et son interaction avec les contre-ions présents en

solution ; à plus long terme ces modèles doivent aussi permettre d’aller plus loin et d’étudier des phénomènes

aux interfaces liquide-liquide (pour la physico-chimie de la séparation des radionucléides), aux interfaces

liquide/solide ou solide/air dans le cadre d’études sur la migration des radionucléides dans l’environnement.

Ainsi la précision du modèle et sa transférabilité sont cruciales pour atteindre ce but. Toute la difficulté du

développement des modèles réside dans la complexité des effets à N-corps. Notre approche consiste à construire

des champs de forces in silico indépendamment de toutes données expérimentales, mais en incluant tous les

effets physiques présents dans les énergies d’interactions intermoléculaires à partir de calculs ab initio de

référence réalisés pour un ensemble de systèmes moléculaires correspondant à différents agrégats

représentatifs des interactions radionucléide-ligand. Les données structurelles et énergétiques sont calculées

avec la meilleure précision possible par des méthodes de la chimie quantique; typiquement, nous utilisons des



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méthodes incluant les effets relativistes scalaires et spin-orbite si nécessaire et traitons la corrélation

électronique avec des méthodes de type MP2 et coupled-cluster. Ce niveau de calcul nous permet d’atteindre

une précision de 0.005 Å pour les structures, et de 1 kcal/mol pour les énergies.

Le développement de ces nouveaux champs de force est mené depuis 2010 en collaboration avec M.

Masella (CEA Saclay), M. Trumm (Intel, Versailles) et B. Schimmelpfennig (KIT, Karlsruhe), grâce à plusieurs

financements des réseaux ACTINET et ACTINET-I3. Les propriétés statiques et dynamiques obtenues par ces

simulations classiques sont confrontées directement aux expériences réalisées par nos collaborateurs des

groupes de l'INE (Karlsruhe) et d'Argonne National Laboratory. Nous avons pu montrer la pertinence de notre

modèle pour la description d’ions actinides représentatifs (thorium et curium) et sur l’étude de l’hydratation

des halogénures. Notamment, il est apparu que la coopérativité semble jouer un rôle crucial non seulement dans

la solvatation, mais aussi dans des processus plus complexes, tels que les mécanismes de désolvatation aux

interfaces, ou dans les réactions impliquant la compétition entre les molécules de solvant, et des ligands. De

plus, toute une série de nouvelles expériences de diffraction aux rayons X et de diffraction de neutrons est en

cours au laboratoire d’Argonne. Ces données vont nous offrir dans un futur très proche des informations très

précises sur la coordination, la dynamique et la stabilité des radionucléides pour différentes conditions de

concentration, température, pression, nous permettant d’améliorer, si nécessaire, notre modèle de champ de

force.

Développement de la méthode hybride « Frozen Density Embedding » (FDE)

La description précise de la structure électronique de systèmes de grande taille incluant un ou plusieurs

radionucléide nécessite de développer de nouvelles approches quantiques permettant d’avoir la meilleure

représentation physique des propriétés électroniques du système tout en essayant de minimiser le coût de

calcul. Dans ce cadre, une approche intéressante est la méthode ``Frozen Density Embedding'' (FDE) proposée

par Wesolowski et Warshel qui repose sur le principe de la séparation de la densité totale du système en densité

des fragments, ce qui se traduit par la séparation de l’énergie totale du système en une somme d’énergies pour

les différents sous-systèmes et un terme décrivant l‘interaction entre ceux-ci. Ceci revient à considérer une

partition du système en une région centrale, par exemple le radionucléide et son plus proche environnement,

dont la densité et fonction d'onde seront calculées au meilleur niveau quantique possible e.g. calculs relativistes

corrélés utilisant par exemple la théorie de la fonction d'onde (WFT), et une région périphérique correspondant

à l'environnement, calculée grâce à la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et servant à définir un

potentiel effectif dans le Hamiltonien du système central. La densité correspondent à ces derniers peut être

figée, ou relaxée afin de tenir compte des effets de polarisation entre sous-systèmes qui peuvent être

importants pour certaines propriétés.

André Severo Pereira Gomes qui a rejoint notre équipe fin 2009 (CR2), est l'un des experts de la méthode

FDE ; in collaboration avec C. R. Jacob (KIT Karlsruhe) et L. Visscher (VU Amsterdam), il participe; i) au

développement de méthodes efficaces combinant WFT et DFT et son extension dans le cadre de la théorie de la

réponse, permettant ainsi son l'applicabilité aux calculs de différentes propriétés moléculaires et des états

excités; ii) son implémentation dans programmes (Dirac, Dalton, NWChem) capables d’exécuter calculs corrélés,

ainsi comme celui d’un environnement (PyADF) avec lequel tâches computationnelles complexes peuvent être

accomplies. Dans ce contexte, il a été nécessaire de contribuer aussi au développement de la bibliothèque

XCFun (http://admol.org/xcfun/), pour permettre une implémentation suffisamment générale des contributions

FDE pour des états excités et l’état fondamental.

En parallèle aux efforts de développement et d’implémentation de la méthode FDE, nous sommes

fortement impliqués dans l’évaluation de sa performance. Récemment nous avons mené deux études concernant

des éléments lourds : (1) La molécule de CUO environnée par une matrice de gaz noble. Nos résultats semblent

écarter l'hypothèse d'un changement dans l'ordre des états à cause d'un changement de matrice, et montrent

aussi la nécessité d’améliorer la description des contributions liées à l’énergie cinétique dans le potentiel FDE ;

(2) l’étude du spectre de l’ion uranyle dans des cristaux de Cs2UO2Cl4, dans la continuité de l’étude dans la

continuité de notre étude menée sur le spectre f-f de NpO22+; où l’on établie que les approche WFT-in-DFT et

DFT-in-DFT sont capables de reproduire les spectres expérimentaux mais montrent encore une sous-estimation

globales des excitations qui semble être liée à des imprécisions de la FDE pour l’état fondamental. Actuellement

nous poursuivons d’autres études dans la même ligne : (3) Motivée par les résultats de (2), nous regardons



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l’effet de la distance internucléaire (O-U-O) bien comme d’autres paramètres affectant la qualité du potentiel

FDE ; (4) Le calcul des spectres d'ions actinides en phase solvatée, où notre but est de coupler les calculs FDE au

trajectoires de dynamique moléculaire classique (cf. Paragraphe 0) afin d’échantillonner un ensemble

statistiquement représentatif de l’hydratation d’un radionucléide et obtenir des spectres typiques de l’état

thermodynamique du système ; (5) L’étude du gradient du champ électrique à la position de l'atome de uranium

dans le système CsUO2(NO3)3, car cette propriété est sensible à des changements dans la région de valence et

peut donc nous donner des informations sur le caractère des interactions entre les actinides et son

environnement proche.

Nos résultats jusqu’ici nous laissent penser que la FDE offre une approche prometteuse non seulement

pour l’étude des molécules d'éléments lourds en phase condensée, mais aussi dans d’autres domaines de la

physique et de la chimie. Pour l’avenir nous continuerons à développer cette méthode, notamment vers la

description de propriétés autres que des spectres électroniques, comme des paramètres RMN, dans le cadre des

méthodes relativistes DFT et WFT.

2) Études de systèmes moléculaires contenant des atomes lourds

Études comparatives des méthodes relativistes corrélées

Dans le cas des atomes lourds pour lesquelles corrélation électronique et effets relativistes sont

importants, nous avons cherché à quantifier les erreurs auxquelles on peut s'attendre en utilisant les méthodes

plus approchées pour traiter ces 2 effets ; soit parce que, dans une démarche plutôt méthodologique, on veut

mieux connaître cette relation, soit parce que les méthodes de référence seront trop coûteuses pour être

utilisées (par exemple, pour traiter l’ensemble d’un système de grande taille). En effet les méthodes de

référence de type corrélées à quatre composantes sont très coûteuses non seulement en temps de calcul mais

aussi en mémoire (RAM et espace disque). Depuis 2008, nous nous sommes investis dans l'étude sy stématique des

méthodes relativistes corrélées, en comparant la précision des méthodes à une composante basée sur la théorie

de la fonction d'onde (WFT), à celle de méthodes plus approchées encore utilisant la théorie de la fonctionnelle

de la densité (DFT) (moins coûteuses en temps de calcul), et surtout à des méthodes plus précises, notamment

en couplant des approches à quatre composantes pour le traitement des effets relativistes aux méthodes

coupled-cluster (IHFSCC) pour le traitement des effets de corrélation.

Pour tous les systèmes étudiés, c’est-à-dire la molécule YbF, la molécule AuH, la molécule I3-, et les

composés iso-électroniques NUN, NUO+, UO22+, les iso-électroniques f2 U4+, NpO2

+, PuO22+, et l’uranyle(V) UO2

+,

nous avons comparé la performance - sans l'inclusion du couplage spin-orbite (SOC) – de différentes méthodes

multiconfigurationnelles (MRCI), perturbatives (CASPT2) ou de type coupled-cluster (Fock-Space Coupled

Cluster), et lorsque c’était possible, aux calculs de réponse DFT pour plusieurs fonctionnelles (LDA, GGA,

MetaGGAs, Hybrides et MetaHybrides). Ce travail a permis de montrer que certaines fonctionnelles peuvent

décrire de façon satisfaisante la structure électronique de ces systèmes, ce qui n’était pas établi auparavant.

Par ailleurs, nous avons aussi démontré un point méthodologique crucial pour l'étude de ces systèmes

moléculaires dans lesquels le couplage spin-orbite est significatif: contrairement aux méthodes à quatre et deux

composantes basées soit sur l'équation de Dirac, soit sur les équations dérivées à deux composantes, qui traitent

le couplage spin-orbite a posteriori, l'approche EPCISO que nous avons développée avec Jean-Pierre Flament (J.

Chem. Phys. 2000) traite le couplage spin-orbite a posteriori. La question est de savoir si EPCISO peut non

seulement reproduire les effets de polarisation spin-orbite des orbitales atomiques et moléculaires, mais aussi

traiter le couplage entre les effets de corrélation électronique et l'interaction spin-orbite. Pour tous étudiés U4+,

NpO2+, PuO2

2+, UO2+ et UO2

2+, les écarts entre les résultats corrélés utilisant l'approche EPCISO et ceux obtenus

avec les méthodes à quatre et deux composantes, n'excèdent pas 1000 cm -1. Cette conclusion va bien au delà du

domaine d'étude des ions actinides, car elle s'applique aussi aux complexes de métaux de transition, de

lanthanides, et d'autres éléments lourds. Ainsi, la méthode EPCISO étant moins coûteuse en temps de calcul que

les méthodes à deux et quatre composantes, est une approche intéressante pour étudier la spectroscopie de

systèmes de plus grande taille, et notamment des ions solvatés étudiés ci-dessous.

Photochimie de l'ion uranyle(VI)



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Les travaux de Becquerel datant du début du XXe siècle ont montré que l’ion uranyle(VI) solvaté est

luminescent. L’état luminescent possède une longue durée de vie (quelques microsecondes) offrant la possibilité

de réactivité chimique rapide dans cet état excité (photochimie). Avant d’explorer la photoréactivité, il est

nécessaire d’avoir des informations sur la physico-chimie des états excités et sur leurs structures électroniques.

Une réaction simple impliquant l'ion uranyle(VI) photoexcité est l’échange rapide (quelques pico à quelques

microsecondes) de molécules d’eau entre la première et seconde sphère de coordination. Dans cette étude

théorique, nous avons montré que la réactivité de l’ion uranyle(VI) dans son état luminescent est identique à

celle observée dans l’état fondamental.

Une réaction plus complexe est celle de l’échange isotopique des oxygènes de la molécule d’uranyle avec

ceux du solvant aqueux induit par photoexcitation :

UO22+ + H2*O U*O2

2+ + H2O

Les observations expérimentales montrent que la présence de molécules d’eau dans la première sphère de

l’ion uranyle joue un rôle crucial, laissant supposer que la première étape de cette réaction pourrait impliquer

un transfert de proton d'une des molécules d’eau coordinées vers un des oxygènes "yl". L’étude ab initio de la

thermodynamique de la réaction de transfert de proton montre que la réaction est fortement endothermique

dans l’état fondamental et dans l’état luminescent. En revanche, plusieurs états électroniques de configuration

uf situés accessibles par excitation UV acquièrent un caractère radicalaire après photoexcitation, et

acceptent favorablement un proton. Cette étude publiée dans le J. Am. Chem. Soc., nous a permis d’interpréter

la réactivité accrue de l’ion uranyle (VI) photoexcité par la présence d’états excités à caractère radicalaire. Du

point de vue théorique, cette étude fut difficile en raison du grand nombre d'états électroniques quasi -

dégénérés. La complexité et l'originalité de cette étude furent mises en valeur par le bureau éditorial de J. Am.

Chem. Soc. en sélectionnant notre article pour le volume spécial « Molecular Modeling of Complex Chemical

Systems » de JACS Select (http://pubs.acs.org/JACSbeta/jvi/issue3.html).

Nature de la liaison chimique radionucléide-ligand

Notre intérêt pour la nature de la liaison chimique entre un radionucléide et son environnement est

double. D’une part, dans le cadre du développement des champs de force polarisables (paragraphe0), la

présence d’une contribution de « covalence » à la liaison chimique complexifie le modèle analytique décrivant

les liaisons inter-atomiques, et ajoutent des termes complexes à plusieurs corps dans l’énergie d’interaction.

Dans le cadre de la méthode FDE (paragraphe 0), la partition de la densité totale du système moléculaire en

fragments, sera d’autant moins problématique que les liaisons inter-fragments sont peu voire non-covalentes. Au

cours de plusieurs études conduites avec nos collaborateurs suédois, nous avons caractérisé la nature de

l’interaction métal-ligand au sein de composés de lanthanides et actinides trivalents, et de composés de l’ion

uranyle(VI). Si cette liaison peut être vue comme étant très ionique, les orbitales de valence f et d participent

activement aux liaisons, notamment dans le cas des ions actinides. Les changements du degré de covalence

métal-ligands sont révélés par la dynamique d’échange des ligands qui peut être étudiée non seulement par les

calculs de chimie quantique précis et par des mesures de cinétique RMN.

Violation de parité

André Severo Pereira Gomes a aussi été impliqué dans deux articles traitant de la modélisation de les

effets de la violation de la parité (PNC) dans systèmes moléculaires, c'est à dire, de déterminer la différence

d'énergie entre énantiomères due à l'interaction entre électrons et cœurs atomiques induite par la force faible,

un effet qui pourrait être mesuré par des décalages dans des spectres - RMN, vibrationnels ou rotationnels. La

première étude a permis d’établir un protocole de calcul qui sert à orienter le travail de synthèse des molécules

candidates à des mesures physiques. En raison de limites computationnelles, ce protocole est actuellement basé

sur des méthodes DFT (ce qui diminue un peu sa fiabilité) relativistes, ce qui ne lui empêche pas de rester

globalement coûteux. Ces contraintes ont motivé une seconde étude, ayant pour but explorer les facteurs

structurels qui influencent l’amplitude de ces effets dans des molécules. Il a été établi que l’effet peut être

bien décrit par des contributions atomiques, ce qui ouvre la possibilité de construire des modèles

computationnels plus économiques, basés sur des calculs atomiques précis combinés à des méthodes

approximées (e.g. du type Hückel) pour la molécule.



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3) Modélisation in silico des matériaux luminescents à l’échelle atomique.

La luminescence des matériaux inorganiques, généralement associée à la présence de défauts ponctuels

(lacunes, impuretés, dopants, électrons piégés…), est à la base de multiples applications technologiques dont

l’importance motive depuis longtemps une intense recherche fondamentale. En nous tournant vers ce domaine,

notre objectif a été d’y apporter une composante modélisation ab initio réellement structurée qui soit capable

de fournir, à l’échelle de l’atome, des informations spécifiques et originales, voire prédictives, sur les

propriétés optiques des matériaux liées à la présence de défauts. Dans ce but, nous combinons deux types

d’approche complémentaires : d’une part une approche « périodique », issue de la physique du solide,

permettant en particulier de relaxer l’intégralité du pseudo-cristal avec ses défauts, et d’autre part une

approche « locale » dite du « cluster environné » qui relève de la physico-chimie moléculaire et qui est bien

adaptée au calcul des spectres de luminescence.

Après le succès des travaux sur Y2O3 :Bi3+ publiés en 2009, a été entreprise l’étude de la luminescence

d’un autre sesquioxide cristallographiquement très différent, l’oxyde de lanthane La 2O3, lui aussi dopé par des

ions Bi3+. Ces études impliquant le dopant bismuth font également partie d’un programme visant à cerner, au

travers de calculs ab initio, quelle est la signification des paramètres semi-empiriques impliqués dans la célèbre

théorie du champ cristallin.

Au cours des quatre dernières années, l’essentiel des travaux a porté sur un des composés les plus utilisés

en opto-électronique : le niobiate de lithium LiNbO3. Même pur, ce cristal ne se rencontre jamais sous la forme

idéale stœchiométrique : ainsi, le composé congruent présente environ 5% de déficit en ions lithium et il

contient des ions niobium antisites NbLi. Ce phénomène affecte fortement les propriétés (absorption,

photoréfractivité, non-linéarité, dopage…) du matériau ; sa compréhension est donc fondamentale. Des calculs

sur 16 structures en super-maille 2x2x2 nous ont tout récemment permis de mettre un point final à la vieille

controverse sur le modèle des défauts dans LiNbO3 : c’est le modèle des lacunes de lithium (Li)1-4x(NbLi)xNbO3 qui

doit être choisi. D’autres calculs, couplés à des études expérimentales antérieures (dont les nôtres, épaulées

par des calculs de phonons) ont permis d’expliquer quantitativement pourquoi l’incorporation de 5% d’impuretés

magnésium Mg2+ rend le cristal homogène et accroît significativement son seuil de résistance aux dommages: les

ions Mg2+ prennent la place de lacunes tout en en supprimant d’autres, d’où une bien moindre distorsion du

réseau. On retiendra aussi la détermination théorique de la structure et des phonons de diverses phases de

LiNbO3 dont la phase ilménite déjà connue et une nouvelle phase métastable révélée par les calculs. Signalons

enfin que vient d’être abordée l’étude des polarons dans LiNbO3 correspondant au piégeage d’électrons par les

ions Nb.

4) Nouveaux axes de recherche

Chimie de l’astate en solution (Collaboration Subatech)

Florent Réal fait partie du projet ANR Excat3 avec Dr. N. Galland (Université de Nantes), projet qui vise à

comprendre la chimie de l’astate(III) dans le cadre de son potentiel d’utilisation dans la médecine nucléaire.

L’astate est un élément « rare » qui ne présente que des isotopes radioactifs de courte durée de vie qui doivent

être produits par réaction nucléaire dans des gros équipements, comme les cyclotrons pour At-211. Il est

également « invisible » car aucune technique spectroscopique n’est applicable pour caractériser les espèces

formées du fait des faibles quantités manipulées (10 -12 à 10-15 mol/L). Pour ces deux raisons, l’astate est un

élément dont le comportement en solution est peu connu. Par analogie avec ce qui est fait avec les autres

halogènes (I, F), la voie la plus couramment utilisée est celle qui conduit à la formation d’une liaison covalente

C-At avec le vecteur. Son utilisation reste limitée lorsque le médicament est injecté par voie systémique du fait

de la faible stabilité in vivo de la liaison C-At. D’autres voies de marquage doivent être développées, notamment

en essayant d'exploiter la capacité de l'astate à former des liaisons covalentes avec les biomolécules, appelant

des études fondamentales pour mieux connaître les propriétés des deux espèces stables de l'astate en solution

aqueuse, AtO+ et At+ (avec quels atomes interagit l'astate? Quel type de liaison est alors formé). L’idée est de

s’intéresser à la dynamique de ces ions par le biais de la mécanique moléculaire et d’apporter des informations

sur la structuration de ces ions utiles à la synthèse de molécules vecteurs les plus appropriées pour garantir la

stabilité du radioélément in vivo.



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Ce projet requiert d'explorer la structure électronique des complexes de l'astate. Compte tenu de sa

grande charge nucléaire, l'astate est un atome « relativiste » dont la structure électronique est déterminée par

les effets très forts de la relativité (relativité scalaire et couplage spin-orbite) et ceux de la corrélation

électronique. Cet atome est donc un challenge pour les méthodes de la chimie quantique relativiste. Nous

étudions actuellement les spectres électroniques de l'AtO+ et de son homologue IO+ en phase gazeuse par

différents méthodes (de corrélation et d'inclusion du SOC) afin de les comparer et d’établir un ensemble de

données de référence pour vérifier la fiabilité de la théorie de la fonctionnelle de la densité à décrire la

thermochimie de ces systèmes. Une première étude sur la solvatation montre que AtO + semble changer d’état

fondamental en fonction du nombre de molécules d’eau coordonnées pouvant ainsi expliquer sa réact ivité.

Etude des radionucléides dans l’atmosphère (LABEX CaPPA)

Notre équipe est impliquée dans le Labex CaPPA (« Chemical and Physical Properties of the Atmosphere

»), qui vient de débuter ses activités fin 2012. Ce Labex compte parmi les partenaires l' équipe de spectroscopie

de notre laboratoire, et le Laboratoire de Physico-Chimie des Processus de Combustion et de l'Atmosphère. Nous

sommes fortement impliqués dans un des work-packages (« Hazard: dispersion, reactivity, deposition of

radionuclides »), dont nous avons la responsabilité scientifique avec Laurent Gasnot (Laboratoire PC2A). Celui -ci

a pour thème central l'étude du comportement des produits de fission dans l'atmosphère. En effet, lors d'un

accident dans une installation nucléaire impliquant une perte du confinement (comme dans le cas des accidents

de Tchernobyl et de Fukushima), les radionucléides issus de la fission du combustible sont susceptibles d’être

relâchés dans l'atmosphère en quantité variable selon leurs volatilités. Parmi les produ its de fission, se trouvent

les métaux lourds (Te, Mo, Tc, Ru et Pu) qui, en présence de dioxygène et d’hydroxyde, peuvent réagir pour

former des espèces réactives qui ensuite peuvent s'agglomérer pour former des aérosols. Au sein du LABEX

CaPPA, notre objectif sera d'étudier la réactivité de ces espèces en utilisant les méthodes les plus précises de la

chimie quantique relativiste en traitant la corrélation électronique le mieux possible. Pour garantir la précision

des données thermodynamiques théoriques qui seront utilisées comme paramètres pour des modèles à plus

grande échelle et ne bénéficiant d’aucune donnée expérimentale pour les réactions élémentaires, nous

effectuerons un benchmark systématique entre les différentes méthodes relativistes corrélées d isponibles. Les

résultats de nos calculs quantiques seront ensuite utilisés pour développer et valider des modèles cinétiques

décrivant la réactivité de ces produits de fissions avec les composants de l’atmosphère (polluants et produits de

photolyse principalement). Ces modèles cinétiques peuvent ensuite être intégrés dans un code de dispersion

atmosphérique et confrontés aux mesures de terrain, in situ.

Thermochimie du plutonium en présence des solvants (Collaboration avec l’IRSN-Cadarache)

L'IRSN-Cadarache participe aussi au laboratoire d'excellence CaPPA. En relation avec les problématiques

du work-package (``Hazard: dispersion, reactivity, deposition of radionuclides''), nous avons initié un contrat de

collaboration de deux ans correspondant à un financement de 32.5 kEuros/an. Cette collaboration porte sur

l’étude théorique des simulants (substituts) potentiels du plutonium pour la caractérisation thermochimique des

feux de solvants. Les contraintes sur la réalisation d’essais impliquant du plutonium sont très fortes et une

réflexion sur une approche se limitant à la réalisation d’essais paramétriques utilisant un ou des simulants du

plutonium pour le développement de modèles de taux de remise en suspension doit être menée. Le plutonium

peut, dans les conditions d’un incendie, être présent sous des formes condensée, dissoute ou volatile. Les

réactions chimiques qui conduisent à cette spéciation influent donc sur les mécanismes physiques de la remise

en suspension. L'IRSN a donc lancé un projet de recherche qui vise à intégrer ces effets chimiques dans

l’évaluation des simulants potentiels du plutonium. Plus précisément, il s'agit d'établir s’il est possible de définir

des éléments ayant un comportement semblable au plutonium pour chacun des phénomènes chimiques

importants mis en jeu lors de la remise en suspension en situation d’incendie. Une identification de ces

phénomènes est en cours. Sur cette base, une analyse à l’aide d’outils de chimie théorique devrait permettre

d’évaluer les données thermochimiques et éventuellement thermocinétiques des réactions impliquant le

plutonium et le (ou les) simulant(s) du plutonium.

5) Spectroscopie en couches internes et de valence de molécules d’intérêt biologique ou atmosphérique

Ces études combinent de nombreuses techniques différentes telles que le rayonnement synchrotron, la

spectroscopie EELS, qui donne accès notamment aux transitions singulet-triplet, la spectroscopie de photo-

électrons et les techniques ab initio, nécessaires à l’interprétation.



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Dans la gamme des rayons X, nous avons continué à utiliser la méthodologie mise au point précédemment,

basée sur l’interaction de configurations, et qui permet de décrire avec une excellente précision les excitations

des couches 1s des atomes légers. Au contraire de la DFT, l’IC permet une description correcte des états

doublement excités (« shake up ») présents dans ces spectres. Par ailleurs, nous avons aussi dans certains cas

décrit la structure fine vibrationnelle observée, soit par l’approximation du coup lage linéaire, soit en calculant

explicitement les facteurs de Franck-Condon. Les molécules étudiées sont l’acide acétique, le tétrahydrofurane

et les acénaphthénequinones. Cette thématique est en cours d’extinction avec le départ à la retraite liégeois et

le démantèlement de leurs spectromètres. Par ailleurs, les codes DFT dédiés (StoBe) ou standards (ADF)

permettent maintenant de faire les calculs en un temps beaucoup plus court.

Dans le domaine UV, nous travaillons avec plusieurs groupes expérimentaux (Aarhus, Lisbonne, Londres,

Liège, Tokyo, Rio) pour étudier la spectroscopie de valence de molécules d’intérêt biologique telles que le

tétrahydrofurane, les acides gras, le limonène, ou atmosphérique telles que le formiate de méthyle, l’isoprène,

et des dérivés fluorés tels que c-C5F8, F2CO, le pentadiène ou les isomères de C4F6. Ces molécules sont en effet

employées dans l'industrie des semi-conducteurs. Au moyen d’un modèle simple, il est possible d’estimer à

partir des spectres leur durée de vie dans l’atmosphère et leur pouvoir de réchauffement global (GWP). La

TDDFT a été abandonnée au profit d’une méthode "Coupled Cluster" (EOM-CCSD), à l’exception des états

triplets, étudiés au niveau RASSCF-MRCI. Là aussi, le calcul des facteurs de Franck-Condon permet d’attribuer la

structure fine vibrationnelle, en particulier dans les spectres de photo-électrons.

Enfin, dans le prolongement du COST RADAM (2004-2007), nous avons calculé les surfaces de potentiel des

8 premiers états du dication H2O++, qui ont servi à simuler les effets isotopiques observés dans la dynamique de

fragmentation de cette molécule très instable, en collaboration avec le groupe de B. Gervais du CIMAP à Caen.

Cette molécule est produite par l’impact de rayonnements ionisants dans le milieu aqueux intracellulaire

notamment.

2.4.3 Physicochimie de l’atmosphère/ Processus physico-chimiques pour l’astrophysique

Depuis plusieurs années, le groupe de Dynamique Moléculaire de l'équipe PCMT s’applique à modéliser, au

niveau moléculaire, les processus d’interaction (adsorption/désorption, piégeage, diffusion,…) et de

photochimie, qui se produisent dans l’atmosphère terrestre, et plus récemment dans le milieu interstellaire.

Si, jusqu’il y a une dizaine d’années, les recherches dans le domaine de la physico-chimie de

l’atmosphère terrestre étaient plus particulièrement centrées sur la problématique de la destruction de la

couche d’ozone, on a assisté ces dernières années à une nette orientation vers l’étude des changements

climatiques dans leur globalité. Ces deux thématiques sont toutefois intimement corrélées puisque l’une et

l’autre requièrent une connaissance de processus chimiques élémentaires similaires mis en jeu. La difficulté,

dans la caractérisation de ces processus, vient, d’une part, du fait que la majorité d’entre eux sont initiés par la

présence du rayonnement solaire mettant en jeu, ainsi, des états moléculaires excités. D’autre part, beaucoup

de processus atmosphériques importants se situent aux interfaces, plutôt qu’en phase gazeuse. Ains i, la glace,

présente dans les cirrus troposphériques et dans les nuages stratosphériques polaires, mais aussi la neige au sol,

peut (peuvent) catalyser des réactions chimiques mettant en jeu des espèces d’origine naturelle ou anthropique,

et en particulier des complexes halogénés. Par exemple, il est bien établi que des réactions, mettant en jeu des

molécules contenant des atomes de Chlore et de Brome, ou des composés organiques volatiles, sont activées en

présence de la glace, et que les espèces ainsi générées interviennent notamment dans le cycle de destruction de

l'ozone. Certaines espèces, comme les ions nitrates, peuvent être piégées au niveau du manteau neigeux

terrestre, et sous l’effet du rayonnement solaire donner naissance à des radicaux modifiant la capacité oxydante

de l’atmosphère. Lors du précédent contrat quadriennal (2004-2008), nos études s’étaient focalisées sur des

systèmes « modèles » de molécules simples adsorbées à la surface de la glace. Durant la dernière période

(2008-2013), nous avons considéré d’autres molécules plus pertinentes du point de vue de la chimie

atmosphérique: CH3Cl, Cl2 et l’ion NO3-. Par exemple, le chlorure de méthyle (CH3Cl) représente la source

naturelle de chlore la plus importante dans l’atmosphère (environ 16 % du chlore pour la stratosphère).

L'analyse du rayonnement issu des différentes régions du Milieu InterStellaire (MIS) livre des informations

cruciales sur la composition chimique de ces milieux (espèces moléculaires présentes et leurs abondances) et les

conditions physiques qui y règnent (température et densité du gaz). La confrontation de ces observations avec

les résultats de modèles de chimie du MIS, basés sur des réseaux de réactions parfois couplés à des processus



janvier 2013

90

macroscopiques (turbulences, chocs, champ magnétique,...), permet d'élucider le rôle respectif des processus

physico-chimiques mis en jeu dans l'évolution de la matière interstellaire. La validité d'une telle approche

requiert cependant une connaissance préalable de l'ensemble des processus réactifs susceptibles de modifier la

composition chimique du MIS. Or, à ce jour, plus de 180 espèces moléculaires (ionisées ou neutres, stables ou

radicalaires, contenant de 2 à 13 atomes) ont pu être identifiées dans les différentes régions du MIS, mettant en

évidence une chimie complexe malgré des conditions de température et densité à priori défavorables. Étant

donnée cette grande diversité moléculaire, la multiplicité et la complexité des mécanismes à prendre en

compte, la détermination des grandeurs physico-chimiques nécessaires à une modélisation fiable du MIS

représente un défi considérable. De par la difficulté de reproduire, en laboratoire, les conditions extrêmes

régnant dans le MIS ou encore de réaliser des réactions mettant en jeu deux radicaux, et vue l’absence d’études

in situ pour des raisons évidentes; l’étude des processus aboutissant à la formation des molécules interstellaires

est un des domaines de prédilection de la physico-chimie théorique dans lequel notre groupe est engagé depuis

un peu moins de quatre ans. Notre volonté est de créer dans un horizon de cinq ans, au laboratoire PhLAM, un

pôle Astrophysique autour des approches théoriques, reconnu par les communautés PCMI et internationale et

capable de répondre aux nombreuses questions posées par les astrophysiciens. En plus de l’aspect purement

fondamental lié à une meilleure compréhension des mécanismes mis en jeu lors de ces processus, il existe, de la

part de la communauté astrophysique, une demande de plus en grande, de données fiables de physique

moléculaire comme les constantes de vitesse de réactions élémentaires ou encore les sections efficaces

d’absorption pour les processus de photodissociation. En simplifiant à l’extrême, deux types de réactions

peuvent se produire : soit en phase gazeuse, soit à la surface des grains de poussière, recouverts ou non d’un

manteau de glace(s). Dans la période écoulée, ces deux aspects ont donc été abordés, grâce à l’obtention de

plusieurs financements : ANR, COST, PCMI, Ambassade de France à Cuba et grâce à la collaboration avec La

Havane, avec notamment une thèse financée.

Schématiquement, la modélisation des processus physico-chimiques dans le domaine atmosphérique ou

astrophysique repose sur plusieurs étapes : l’obtention de potentiels d’interaction en phase gazeuse ou

condensée l’étude de l’adsorption/ diffusion éventuelles par des méthodes de dynamique classique et,

finalement, l’étude de la photodissociation ou de la réactivité de ces molécules par des méthodes de

trajectoires classiques, des approches quantiques dépendantes du temps (paquets d'ondes quantiques standards,

MCTDH).

1. Physicochimie de l’atmosphère

a) Potentiel : développement de champ de force

Le point crucial pour toutes les études de dynamiques moléculaires classiques ou quantiques est l’énergie

potentielle d’interaction. En effet, les équations du mouvement sont régies par des champs de forces qui sont

au signe près, les dérivées partielles de cette énergie

potentielle. Lorsque ces champs de forces n’existent

pas dans la littérature scientifique, leur

développement est un travail qui nécessite un savoir-

faire et une expérience spécifique et souvent, les

groupes de recherche qui s’y adonnent en font une part

importante de leur activité. C’est précisément le cas

du système Cl2-eau pour lequel nous avons du

construire un potentiel d’interaction, activité ou

domaine de recherche nouveau pour le groupe. Le

potentiel d’interaction du dimère Cl2-H2O a été

construit par ajustement sur des données issues de

calculs de chimie quantique de haute qualité. Ces

calculs ab initio ont été réalisés dans notre équipe (D.

Duflot), pour tout ce qui concerne la molécule Cl2, et

par des collègues Mexicains (M. Bernal-Uruchurtu et R.

Hernandez-Lamoneda) pour l’interaction Cl2-H2O. Le

but étant d’utiliser ce potentiel dans des simulations

avec des surfaces de glace, la molécule d’eau a été

Figure 2.4-1 : Énergies de plusieurs agrégats Cl2(H2O)n (n =

1-5), calculées avec notre modèle (histogrammes gris) et de

façon ab initio (histogrammes noirs)



janvier 2013

91

représentée par la distribution de charges du modèle TIP4P. Bien que ce modèle sous-estime le point de fusion

de la glace cristalline, il reproduit correctement l’interaction H2O-H2O, ce qui est de première importance pour

notre étude. Tout au long de la construction de ce potentiel, la ligne directrice a été que chaque terme

conserve une signification physique bien identifiée. Les calculs ab initio ayant montré que le transfert de charge

était négligeable dans le dimère, le potentiel d’interaction de ce dernier a été alors décrit part une somme de

quatre termes : l’électrostatique représentant l’interaction du quadripôle de Cl2 avec les charges de la molécule

d’eau, l’induction, due essentiellement à la polarisation de la molécule Cl2 et les interactions de dispersion et

de répulsion d’origine quantique proposées par Buckingham. La composante électrostatique et celle d’induction

ont été calculées à l’aide du développement multipolaire de Stone qui devient moins précis à courte distance et

est à l’origine de « puits fantômes » sans réalité physique. Afin de corriger ce mauvais comportement il a été

nécessaire d’introduire des corrections sous forme de fonction d’écran permettant de simuler au mieux les

problèmes de pénétration de charges à courte distance. Au total, 27 paramètres ajustés.

Cette étude longue et fastidieuse, a constitué une partie du travail de thèse de Laureline Hormain. Nous

avons établi plusieurs collaborations avec des collègues de l’Université de Cuernavaca au Mexique, ainsi qu’avec

des collègues de l’Instec de la Havane à Cuba, et enfin des collègues de l’Université Paul Sabatier à Toulouse.

Une publication concernant la surface d’énergie potentielle, écrite en collaboration avec les collègues

Mexicains, sera soumise très prochainement au Journal of Chemical Physics.

b) Dynamique

Dynamique classique à la surface de glace (état

fondamental)

Les codes de dynamique moléculaire classique

permettent d’étudier la physisorption d’un polluant, dans

l’état fondamental, à l’interface gaz/ glace et sa diffusion à la

surface ou à travers la glace. Dans les codes commerciaux

(Gromacs, Amber,…), ce sont des formes ‘standards’ de

potentiel qui sont utilisées telles que type Lennard Jones pour

la dispersion-répulsion et de type charge-charge pour

l’électrostatique. Dans le cas où la formulation du potentiel

est plus compliquée, sont implémentation dans les codes

commerciaux est délicate. C’est la raison pour laquelle nous

avons implémenté le potentiel de l’interaction Cl2-H2O

(paragraphe potentiel), dans notre propre programme de

dynamique moléculaire afin de caractériser la physisorption d’une molécule Cl2 sur le plan basal (001) d’un film

de glace hexagonale « proton-ordered ». Les premières simulations ont été menées en traitant toutes les

molécules comme rigides à 190 K et 235 K. Les calculs montrent que la molécule Cl2 interagit faiblement avec la

glace (énergie d’adsorption Eads = 139 meV) en comparaison avec les résultats pour HCl (Eads = 233 meV), étudiée

dans notre groupe (Woittequand, 2009). Il en résulte une diffusion en surface plus importante ainsi qu’une

orientation plus libre pour Cl2 que pour HCl.

En collaboration avec l’équipe de M. Roeselova (partenariat Hubert Curien Barrande), l’adsorption de

CH3Cl sur la glace hexagonale (face prismatique et basale) a été étudiée à l’aide du logiciel commercial de

dynamique moléculaire GROMACS, les modèles de potentiel CH3Cl-H2O étant standards. Les calculs ont permis de

tester différents modèles de potentiel et ont montré qu’une reparamétrisation des charges permet d’améliorer

le collage de la molécule (Eads = 247 meV), la molécule s’adsorbant pratiquement à plat sur la surface. Ce travail

donnera lieu à une publication prochaine. Deux articles concernant la dynamique de Cl2 et de CH3Cl à la surface

de glace sont en cours de rédaction et seront soumis au troisième trimestre de 2013.

Toujours dans le cadre d’un projet bilatéral avec M. Roeselova, I. Gladich et P. Slavicek, nous avons

également étudié par dynamique moléculaire classique l’interaction de l’ion nitrate avec les particules de glace,

l’idée étant de comprendre la distribution des ions à l’interface avant d’y incorporer d’autres molécules. Dans

le cas de l’interaction de l’ion nitrate avec l’eau, il existe différents potentiels polarisables ou non. Les

difficultés dans l’utilisation de potentiels polarisables en dynamique sont qu’ils sont coûteux en temps de

Figure 2.4-2 : Cliché issu de la simulation

montrant la géométrie d’adsorption moyenne de

CH3Cl adsorbée sur le plan basal d’un film de

glace hexagonal à T=205K



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calculs et qu’ils tendent à être moins fiables pour décrire les propriétés de la glace (en particulier, le point de

fusion). Une étude systématique a été menée visant à tester la performance des différents modèles de

potentiel, polarisables ou non, à reproduire le comportement de l’ion nitrate à l’interface gaz -glace, système

crucial pour la chimie atmosphérique. Les principaux résultats tendent à indiquer que le nitrate une fois adsorbé

reste préférentiellement à la surface du film de glace, que le modèle de potentiel utilisé soit polarisable ou

non. Ce travail fera l’objet d’une publication soumise avant la fin de l’année.

Dynamique quantique de la photodissociation de Cl2-H2O

L’étude théorique de la photodissociation du complexe Cl2-H2O, est une première étape vers le projet

plus général et plus ambitieux d’intérêt environnemental dans lequel nous sommes engagés et qui consiste à

comprendre et modéliser, à l’échelle microscopique, les processus de solvatation et de photodissociation de

molécules halogénées en présence d’eau en phase condensée (surface de glace, grains, clathrates …)

Au-delà de l’intérêt intrinsèque de l’étude sur la molécule Cl2-H2O, portant sur le rôle de l’interaction

eau – di-halogène sur le processus de dissociation, il s’agissait ici de tester différents niveaux d’approximation

par une comparaison entre des calculs quantiques réalisés en réduisant le nombre de coordonnées nucléaires

(2D, 4D) avec un calcul complet 6D, l’eau étant considérée comme un rotateur rigide. L’intérêt de ce travail

était double : i)- tester la validité de la forme analytique du potentiel d’interaction Cl 2-eau présentée section 1.

par une comparaison des résultats (géométrie d’équilibre et énergie de l’état fondamental, section efficace

d’absorption) avec ceux obtenus en 2D sur des potentiels purement ab-initio (N. Halberstadt, Toulouse), ii)-

justifier a priori, de l’utilisation d’une dimensionnalité réduite, indispensable dans la dynamique de systèmes

plus complexes.

Tous les calculs ont été réalisés avec le formalisme MCTDH (Heidelberg package, développé par H. -D.

Meyer et collaborateurs), sur le premier état purement dissociatif de la molécule Cl2. Quelle que soit la

dimensionnalité, nos simulations et en particulier l’évolution des paquets d’ondes quantiques ont clairement

confirmé (N. Halberstadt, Toulouse) une dissociation beaucoup plus rapide dans le mode intra-moléculaire Cl-Cl

que dans le mode inter-moléculaire Cl2-H2O. Il est donc envisageable pour des systèmes plus complexes,

environnement de glace ou clathrate, et pour une dynamique à temps court comme la détermination de

l’enveloppe des spectres d’absorption, d’utiliser un modèle où les molécules d’eau seront spectatrices. D’autre

part, la comparaison des résultats des calculs 6D, 4D, 2D indiquent que l’approximation 2D, où les coordonnées

de dissociation sont, d’une part celle qui relie l’oxygène de l’eau au centre de masse de Cl2 et d’autre part,

celle qui caractérise Cl2, est pleinement justifiée et que les calculs plus complexes pourront être menés dans un

premier temps en privilégiant ces deux dimensions. Cette activité, qui s’intègre dans le Labex CAPPA (WP2),

sera prochainement publiée.

2. Processus physico-chimiques pour l’astrophysique

a) Dynamique de la collision réactive Si + OH → SiO + H

La collision réactive Si + OH → SiO + H présente un grand intérêt pour la chimie du milieu interstellaire

(MIS). En premier lieu, cette réaction fait intervenir le radical OH qui est considéré comme un traceur des

régions du MIS soumises aux chocs, et permet un diagnostic précis des conditions physiques régnant dans les

nuages diffus. Concernant le Silicium Si, les mesures ont montré que l’abondance cosmique de cet élément est

deux fois plus importante que celle de l’atome de soufre S et seulement un ordre de grandeur plus faible que

celle des atomes de carbone C, d’azote N, et d’oxygène O. De plus, le très faible nombre de molécu les silicées

observées dans le MIS (SiO, SiS, SiC, SiC4, SiH2 etc ….) indique que la chimie du silicium dans ce milieu est

radicalement différente de celle associée aux atomes d’abondance cosmique similaire. Des molécules silicées,

SiO est la plus répandue. Les fortes variations de son abondance fractionnelle (SiO/H2) selon les régions du MIS

confère à cette molécule le statut de marqueur des conditions physiques régnant dans les régions de formation

ou de mort des étoiles. La production de cette molécule dans les nuages interstellaires denses et froids, peut

être expliquée par l'émission directe de SiO ou encore de Si atomique en phase gazeuse après érosion due aux

chocs, ou grâce à la photodésorption dans les régions soumises au rayonnement UV, de grains de poussière

silicatés. La molécule SiO à partir du silicium atomique est alors obtenue grâce aux réactions suivantes :

Si(3P) + O2 (X3-

g) -> SiO (X1+) + O (1D) (1)



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Si(3P) + OH (X2) -> SiO (X1+) + H (2S) (2)

La première réaction a été étudiée tant sur le plan expérimental que sur le plan théorique. Dans le cadre

de sa thèse en cotutelle avec la Havane, Alejandro Rivero Santamaria a obtenu les premiers résultats théoriques

sur la dynamique de la réaction Si + OH → SiO + H en utilisant une surface d'énergie potentielle

récemment développée par F. Dayou. Trois approches théoriques ont été utilisées, i)- l'approche

statistique Mean Potential Phase Space Theory (MPPST) développée à Bordeaux par Pascal Larregaray, ii)- l'approche

bien connue des trajectoires quasi-classiques, Quasiclassical Trajectory Method (QCT) et enfin, iii)- l'approche

quantique dépendante du temps, Time Dependent Wave Packet (TDWP). Un grand nombre de résultats a été

obtenu, nous permettant de soumettre d’ors et déjà deux publications dans des journaux à comité de lectures et

donnera lieu à trois autres publications qui seront soumises avant la fin 2013. Les principaux résultats obtenus se

résument comme suit. La probabilité de réaction de ce processus sans barrière est inférieure à 0,6 pour tout un

domaine d'énergie comprise entre 1 eV et 1000 eV. Le mécanisme réactionnel mis en évidence est de type

indirect mettant en jeu un complexe intermédiaire à très longue durée de vie, de l'ordre de plusieurs

picosecondes. Ce temps de vie très long, synonyme de l’existence d’états quasi-liés sous-tendus par les deux

profonds puits de potentiel (environ 5 eV) peut favoriser une redistribution de l’énergie et ainsi conduire à un

comportement statistique de la dynamique de cette réaction. Cependant, les distributions d'énergie (rotationnelle et

vibrationnelle) sur les produits, révèlent une dynamique beaucoup complexe que ce que nous pressentions,

mélangeant comportements statistiques et non statistiques. De plus, cette réaction est totalement gouvernée par les

contraintes liées aux réactions du type Heavy + Heavy-Light → Heavy-Heavy + Light (H + HL → HH + L).

La constante de vitesse k(T) a été calculée pour toute une gamme de températures entre 10 K et 1000 K et varie fortement avec cette dernière. Elle atteint un maximum de l’ordre de 4 ×10-10 cm3.s-1 à 20 K, puis décroit jusqu’à la valeur 2.4 × 10-11 cm3.s-1 à 1000 K. Ce comportement est très différent de celui utilisé dans le « Chemical reaction Network » qui suppose une valeur constante de k(T) = 10-10 cm3.s-1 dans tout le domaine de température considéré.

Figure 2.4-4 : Constante de vitesse k(T) (en cm-3s-1) calculée (ligne noire) et ajustée (ligne rouge) à l’aide de la fonction utilisée dans les programmes astrophysiques :

k(T ) 6.78*1011(T

300)1.07 e17.66/T

Figure 2.4-3 : distribution de l’énergie rotationnelle sur les produits de la réaction SiO pour le niveau le plus peuplé v’=17, pour deux valeurs différentes de l’énergie de collision.



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Ce travail est la première contribution à la compréhension des mécanismes de la production de la

molécule SiO par la réaction Si + OH → SiO + H. En l'absence de résultats expérimentaux, cette étude pourra

être utilisée comme base pour de futurs travaux théoriques et expérimentaux. Les valeurs de la constante de

vitesse obtenues pour tout un domaine de température pourront être directement introduites dans les bases de

données utilisées par les modèles en astrophysique. Ce travail à été l’occasion d’établir une collaboration active

avec des chercheurs de l’Instec de La Havane, mais aussi de l’ISM de Bordeaux, CSIC de Madrid et de l’Université

du Havre. Au cours de nombreux échanges, nous avons pu monter des projets. En effet, en collaboration avec

l’Instec et l’Université du Havre, nous avons organisé du 10 au 13 Juillet 2012, à Cuba, la deuxième édition du

colloque international WAMP « Workshop on Atomic and Molecular Physics ». C’est aussi au cours de ces

échanges que nous avons décidé d’organiser à Lille, la 4ième édition de la conférence Internationale IMAMPC

« International Meeting on Atomic and Molecular Physics and Chemistry » (http://imampc2013.univ-lille1.fr/).

Cette conférence initiée en 2010 à Madrid par des collègues Espagnols du CSIC, s’adresse tout particulièrement

aux jeunes chercheurs.

b) Synthèse du formaldéhyde et du méthanol dans le milieu interstellaire

Les molécules organiques formées dans l’espace interstellaire ne sont probablement que des briques

encore très simples, de petites molécules, ne dépassant guère une dizaine d’atomes, capables de se former et

de survivre dans les conditions hostiles du milieu interstellaire : presque vide, très froid et baigné de

rayonnements UV qui détruisent les liaisons chimiques des molécules. Et pourtant, plusieurs molécules

organiques complexes, d’une dizaine d’atomes, ont été découvertes dans la dernière décennie.

Ces découvertes soulèvent de nombreuses questions dont les suivantes : comment se forment ces

molécules des plus petites aux plus grosses ? Les grains de poussière interstellaires jouent-ils un rôle majeur

dans ce processus ? Répondre à ces questions a été l’objectif du projet ANR FORCOMS rassemblant

astrophysiciens, spectroscopistes et physiciens de trois sites (PhLAM, IPAG, Grenoble, IRAP, Toulouse), en liaison

avec la mission HERSCHEL. Ce projet s’est étalé de janvier 2009 à décembre 2012 et a permis en particulier le

financement d’une thèse partagée entre C. Toubin et D. Duflot en codirection avec L. Wiesenfeld (Grenoble).

Le travail de thèse de P. Peters (septembre 2009 à décembre 2012) a permis de caractériser par des

méthodes de chimie quantique de haute précision (Coupled Cluster, MP2, DFT, multiréférence…) les processus

réactionnels impliquant D, CO, H2CO,H3COH et H2O à la surface des grains interstellaires. En effet, H2CO and

H3COH, sont parmi les molécules organiques dites complexes (COM: Complex Organic Molecules en anglais) les

plus abondantes dans les nuages moléculaires du milieu interstellaire.

Ce travail théorique est la première étude s'attachant à décrire toutes les étapes et les intermédiaires

réactionnels intervenant dans la séquence de réactions conduisant au méthanol par hydrogénations successives

de CO. Pour la phase gazeuse, des méthodes multi-références (MRCI+Q et MRMP2) ont été appliquées afin d'avoir

la description la plus juste des systèmes. Les calculs montrent que certaines étapes cruciales de la synthèse

(formation de HCO) en phase gazeuse mettent en jeu des barrières d'activation significatives (quelques

kcal/mol) dans les conditions du milieu interstellaire. La possibilité de réaction par effet tunnel a aussi été

envisagée, nécessitant le calcul des profils

IRC.

Figure 2.4-5: Energies relatives, calculées avec B97D/aug-cc-pVTZ, des différents intermédiaires pour la seconde hydrogénation H+HCO en phase gazeuse (n=0) ou en présence de

n=3 ou n=5 molécules d’eau.

http://imampc2013.univ-lille1.fr/



janvier 2013

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Les mêmes processus réactionnels ont ensuite été étudiés sur des agrégats d'eau ou de CO. Ces agrégats

ont été choisis comme surfaces modèles pour les grains interstellaires. Compte-tenu de la taille du système, les

calculs ont été menés en utilisant la théorie de la fonctionnelle densité et la méthode perturbative MP2. Pour

certaines réactions, telle que la formation de HCO, la présence d'un agrégat ne modifie pas l'énergie

d'activation. En revanche, pour d'autres, telles que la formation de COH et H 3CO, l'énergie d'activation est

réduite et l'endothermicité/exothermicité de la réaction change, ainsi que cela été démontré dans d’autres

mécanismes réactionnels. De plus, l'isomérisation de certains composés, HCOH en H2CO, est rendue possible en

présence d'agrégats d'eau. Les résultats obtenus sur les agrégats indiquent que l'état de surface et le flux

d'atomes H peuvent avoir une influence notable sur la séquence réactionnelle, ouvrant d'autres voies non

envisageables en phase gazeuse. Ce projet donnera lieu à 3 publications qui seront soumises dans le 3ème

trimestre 2013.

Les résultats de ces calculs seront intégrés dans le modèle astrophysique GRAINOBLE développé par les

collaborateurs de l’ANR. Ce modèle utilise des données microscopiques telles que les énergies d’activation ou

les énergies de réaction pour modéliser les abondances de molécules plus complexes. Nos calculs ont permis

d’ajuster ces valeurs et également de prendre en compte l’effet de la surface.

Les études effectuées pendant le projet FORCOMS nous ont montré que les mécanismes de formation de

molécules clés ne sont pas encore élucidés et que les grains de poussière interstellaire peuvent effectivement

jouer un rôle essentiel dans la formation des molécules organiques complexes. Cependant, ce travail a

également confirmé que le choix des modèles de chimie quantique est crucial étant donné le degré de

précision attendu. De plus, la modélisation de la réactivité à la surface des grains est délicate car très

coûteuse numériquement. L’investigation nécessite d’être poussée vers la synthèse d’autres molécules

éventuellement plus complexes et jusqu’à la description d’une surface étendue. La question clé consistera à

trouver le bon compromis coût numérique/précision. Par exemple, les plupart des fonctionnelles usuelles

échouent à prédire correctement la barrière d’activation de la réaction H + CO → HCO en phase gazeuse. Or, la

DFT semble la seule méthode praticable pour décrire les processus de surface. D’autres approches sont

possibles, telles que DFTB ou QM/MM, qu’il conviendra de tester. Ce projet sera poursuivi sur des surfaces de

glace plus étendues (glace amorphe) en collaboration avec Helen Fraser (Milton Keynes) et le même type

d’études pourra être envisagé pour d’autres molécules d’intérêt interstellaire. Des collaborations ponctuelles et

d’éventuels programmes seront les moteurs de cet axe de recherche.

Parallèlement aux études de dynamique présentées en physicochimie de l’atmosphère proche et

lointaine, nous avons également étudié la photodissociation de Li2+-Ne.

La dynamique quantique non-adiabatique sur six surfaces couplées, de la photodissociation de la molécule

Li2+-Ne a été entreprise pour une comparaison avec des calculs de trajectoires classiques et de sauts de surface

réalisés au CIMAP à Caen dans le groupe de Benoit Gervais. Ce travail a permis d’apporter, a posteriori, la

justification de l’emploi d’un formalisme classique pour des clusters plus complexes Li 2+-Nen pour lesquels une

méthode quantique n’est pas applicable.

L’étude quantique non-adiabatique, a été réalisée en utilisant, ici encore, le programme MCTDH

d’Heidelberg. Pour éviter les problèmes de singularités au niveau des intersections coniques, le calcul a été

effectué dans une base diabatique. La diabatisation des potentiels a été réalisée à Caen, par Benoit Gervais. Si

la dynamique quantique permet de mettre en évidence certains effets, comme par exemple des résonances ou

des oscillations de type oscillations de Rabi dans les populations diabatiques, l’essentiel de la dynamique est

correctement décrit par le formalisme des trajectoires classiques, avec un accord raisonnable sur les

populations finales des produits de dissociation.

3. Conclusions et ouverture

A l’issue du travail entrepris pour la molécule de Chlore, le groupe Dynamique Moléculaire Théorique a

complété ses compétences avec une expérience nouvelle dans la paramétrisation de champs de force utilisables

en dynamique moléculaire classique pour des systèmes plus complexes.

Lors du prochain contrat, l’étude de l’interaction halogène-eau sera poursuivie et développée dans le

cadre plus vaste et ambitieux d’une compréhension complète de la solvatation et la dynamique de molécules



janvier 2013

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chromophores dans/sur la glace, les clathrates ou l’eau, en collaborations avec les équipes de N. Halberstadt

(LCAR, Toulouse) et de M.I. Bernal-Uruchurtu et R. Hernandez-Lamoneda (Université Cuernavaca du Mexique).

Bien que les clathrates soient des pistes importantes pour le stockage de l’hydrogène ou la séquestration de

polluants, beaucoup de questions concernant leurs propriétés structurelles, énergétiques e t dynamiques restent

ouvertes. De plus, l’intérêt d’étudier en premier lieu la molécule Cl2 réside dans le fait qu’elle représente un

chromophore modèle pour l’étude plus générale de la solvatation. Nos approches de modélisation moléculaire

permettront de fournir des informations fondamentales sur la structure des molécules d’eau autour de

l’halogène en solution, sur la configuration du soluté dans/sur le clathrate, ou encore à la surface de la glace.

Nous déterminerons les spectres de photoabsorption et de diffusion Raman, et étudierons la dynamique post

photodissociation de la molécule de dihalogène sur la surface de la glace, dans la glace solide, ou en solution

aqueuse. Les résultats obtenus pourront notamment être comparés à des expériences de spectroscopie

récemment réalisées dans le groupe de K.C. Janda et A. Apkarian de l’Université de Californie.

Dans le cadre du Labex CaPPA (groupe de travail « WP2 : Aerosol microphysical, chemical and optical

properties from fundamental heterogeneous processes to remote sensing »), nous étendrons notre étude à

l’interaction d’espèces halogénées (Cl,…) ou non (NO2, acides gras,…), avec des particules de sels marins, tels

que NaCl, dans un premier temps, et d’autres sels synthétiques par la suite. Ces aérosols mar ins libérés à la

surface des mers et des océans sont eux aussi à l’origine d’une chimie hétérogène spécifique ayant des impacts

significatifs au niveau de la composition de l’atmosphère. Par exemple des mesures atmosphériques récentes ont

montré que le chlorure de nitryle (ClNO2), produit par réaction hétérogène sur des particules de sels marins,

s’accumule pendant la nuit donnant lieu, dès l’aube à un pic de production du radical Cl, par un mécanisme de

photodissociation. Notre travail théorique consistera dans un premier temps à valider les potentiels

d’interaction de type semi-empiriques avec des espèces halogénées (Cl,…) ou non (NO2) avec la surface d’un

aérosol marin (NaCl,…). Il s’agira ensuite de caractériser par des méthodes de dynamique les processu s

d’adsorption/diffusion à la surface afin d’identifier les mécanismes et les confronter aux résultats

expérimentaux. La combinaison des approches classiques et quantiques permettra aussi d’aborder l’effet de

l’hygroscopie de la surface et de décrire la réactivité à la surface. Ce projet s’effectuera en collaboration avec

les expérimentateurs du LASIR et PC2A (S. Sobanska, D. Petitprez) qui ont réalisé des études en laboratoire sur

ces systèmes.

Notre groupe est également impliqué dans l’ANR PARCS (Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Reactions in

Cryogenic Solids) sur le thème de la photo-réaction des molécules d’hydrocarbures aromatiques polycycliques

(HAP) dans un environnement d’eau ou de glace. Les HAP sont des macromolécules organiques qui présentent un

intérêt astrophysique depuis la découverte des spectres aromatiques interstellaires attribués aux modes de

vibration des HAP qui émettent dans l’infrarouge après absorption d’un rayonnement UV stellaire. Dans la partie

théorique du projet dans laquelle nous sommes impliqués, la difficulté du problème provient de la taille des

systèmes, de la complexité de leur structure électronique (couche ouverte), de la nature des interactions

(liaisons hydrogène, interactions de Van der Waals…). Les études nécessiteront donc, mise au point et

l’utilisation de méthodes multi-échelles sophistiquées, dans lesquelles, la molécule HAP et les premières

molécules d’eau environnantes seront traitées au niveau DFTB (groupe de Toulouse de F. Spiegelmann), les

interactions avec les molécules d’eau plus lointaines étant décrites par une approche de type champ de force.

Ces deux approches seront interfacées pour mener à l’élaboration d’un code de type QM(DFTB)/MM. Dans ce

projet, notre groupe sera investi dans toutes les simulations de dynamique moléculaire qui seront faites à la fois

pour l’état fondamental et pour les états excités accessibles par rayonnement. Parallèlement, nous nous

intéresserons à décrire les effets vibrationnels quantiques dans les spectres infrarouges par des calculs de

paquets d’ondes utilisant l’approche Multi-Configuration-time-Dependent-Hartree. La comparaison avec des

résultats d’expériences (groupe de Bordeaux de J. Mascetti), qui font aussi partie de ce projet, nous permettra

de tester la validité de nos approches théoriques.

Finalement, outre leur importance dans le domaine de l’astrophysique, ces études présenteront

également un intérêt dans le cadre du Labex CaPPA, puisque les HAP sont aussi des polluants persistants émis

dans l’atmosphère par les activités humaines.

Lors du prochain contrat, nous prévoyons de continuer l’activité astrophysique initiée au cours du présent

contrat en renforçant nos liens avec des astrophysiciens Français et étrangers. Cette activité se développera

suivant deux volets. Dans le premier volet, nous prévoyons de poursuivre nos études en phase gazeuse en



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finalisant dans un premier temps le projet sur la réaction Si+OH en i)- étudiant l’influence du spin orbite sur la

réactivité, ii)- réalisant en collaboration avec Pascal Honvault de l’ICB de l’Université de Bourgogne, des calculs

quantiques indépendants du temps à très basses énergies, iii)- introduisant, en collaboration avec Jose

Cernicharo du CSIC de Madrid, nos données (constante de vitesse, etc. ….) sur cette réaction Si+OH → SiO+H,

dans les modèles astrophysiques. Dans un deuxième temps nous étudierons un certain nombre de réactions

(C+SH, ….), mais aussi des processus de photodissociation qui jouent un rôle dans la physicochimie du MIS

comme ceux des molécules SiO et NH. Dans un deuxième volet, nous prévoyons de nous orienter vers des

systèmes plus complexes et très importants pour le MIS : la physicochimie des grains interstellaires. Celui-ci

débutera avec l’étude des mécanismes de formation de H2/HD à la surface de grains silicatés. En effet, la

molécule H2, espèce moléculaire la plus abondante et principal précurseur de la chimie du MIS, ne peut se

former en phase gazeuse dans les conditions physiques qui règnent dans le MIS. Les questions relatives aux

mécanismes de formation de H2 à la surface des grains restent encore aujourd'hui largement ouvertes. Un point

majeur à élucider est notamment la répartition de l'énergie libérée lors de sa formation, sous forme d'énergie

interne (excitation ro-vibrationnelle), énergie cinétique ou échauffement du grain. Dans cette optique, nous

souhaitons étudier la formation de H2 sur des surfaces sèches silicatées, telles que la forstérite, un des

probables constituants des grains de poussière interstellaire. Étant donnée la complex ité d'un tel traitement,

tant par la description des interactions avec le substrat que les mécanismes réactionnels à prendre en compte, il

convient de procéder par étapes. Nous projetons d'étudier dans un premier temps la réaction en phase gaz de

H(D) avec le cluster Si(CH3)4 (tétraméthylsilane). L'abstraction d'atomes d'hydrogène de ces composés silicés,

consécutive à la formation de H2/HD, est à la base de la formation des silicates dans le MIS. En construisant une

surface d'énergie potentielle (SEP) à dimensionnalité réduite (2D) représentative du processus, il sera alors

possible d'utiliser l'état de l'art des méthodes de dynamique (traitements quantiques, IT et DT, et classique,

QCT). Nous souhaitons par la suite considérer des clusters de tailles variées (MgnFe1-n)2SiO4 comme modèles de

surfaces d'olivine. Ces matériaux ont des structures très complexes qu'il convient de décrire avec précision avant

d'aborder l'énergétique puis la dynamique des processus de réaction. Les méthodes de type Density Funct ional

Theory (DFT) permettront d'identifier les sites de physisorption et de chimisorption d'atomes d'hydrogène, puis

d'étudier les caractéristiques énergétiques de ces sites en fonction de la taille des clusters. L'objectif final est

de construire une SEP à dimensionnalité réduite représentative du processus de formation de H 2(HD) sur un grain

d'olivine. Un traitement explicite de la dynamique permettra, grâce à la détermination des distributions

d’énergie de la molécule de H2 formée, de mieux comprendre la formation des molécules plus complexes mises

en évidence expérimentalement dans le MIS. En effet, certaines voies de réaction fermées quand la molécule H 2

est froide sont ouvertes quand son excitation rovibrationnelle est considérée. La possibilité, de modéliser

plusieurs types de grain grâce à la chimie quantique permettra en association avec des calculs de dynamique de

donner une tendance sur le profil énergétique de la désorption de H2 des grains dans les nuages interstellaires.

Ces études se feront en collaboration avec M. Fabrice Dayou du LERMA de l’observatoire de Meudon et Melle

Boutheïna Kerkeni du LPMC de Tunis.

Notre objectif est donc, d’une manière générale, de développer et/ou d’appliquer des approches

méthodologiques avancées (ML-MCDTH, QM/MM…), nous permettant d’aborder des systèmes plus complexes en

levant petit à petit certaines approximations de façon à se rapprocher soit des systèmes étudiés en laboratoire

soit des systèmes in situ.

2.5. Spectroscopie et applications


L’activité de recherche de l’équipe « Spectroscopie et Applications » se situe dans le domaine de la physique

moléculaire. Elle est principalement orientée vers les applications astrophysiques et environnementales, et

s’appuie sur des études fondamentales nécessitant le développement d’instrumentations au meilleur état de

l’art. Largement structurée et soutenue par les contrats ANR, l’équipe « Spectroscopie et Applications » a

atteint l’ensemble des objectifs fixés au cours de la précédente évaluation AERES en décembre 2008. Les

résultats majeurs de l’équipe sont :



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1) L’étude spectroscopique des isotopologues du formiate de méthyle en Laboratoire (région centimétrique, millimétrique et submillimétrique) : modélisation et détection astrophysique dans le cadre de l‘ANR TopModel (PI) [CAR09].

2) L’étude fondamentale de la dynamique spatio-temporelle des plasmas générés par ablation laser à haute intensité : résultats sélectionnés pour publication dans le Virtual Journal of Ultrafast Science [GUR08].

3) Les études couplées Spectromètres PhLAM – Ligne de lumière AILES à SOLEIL de molécules astrophysiques (15NH, HCOOCH3). Deux « Viewpoints » sur le site web du synchrotron SOLEIL [BAI12], [TUD12].

4) Le développement de la plate-forme JetAiles (IPR-LADIR-PhLAM) sur la ligne de lumière AILES à SOLEIL.

5) La caractérisation de la phase adsorbée (hydrocarbures aromatiques polycycliques - HAP) des suies de combustion dans le cadre de l’ANR Soot et du CPER IRENI, avec le PC2A (Lille 1) [FAC11].

L’équipe est composée de 3 chercheurs CNRS (CR) rattachés à la section 04 (INP), de 16 enseignants -

chercheurs de l’université Lille 1 (7 PR, 7 MC, 2 PR émérites) et d’1 chercheur bénévole. Elle est actuellement

structurée en 3 sous-équipes : « Spectroscopie microonde, millimétrique et submillimétrique » (S. Bailleux - MC -

HDR, L. Constantin - CR, J. Demaison ≤2009 chercheur bénévole, P. Dréan - MC, M. Goubet - MC, T. Huet - PR, B.

Lemoine - CR, L. Margulès - PR, R. Motiyenko ≥2009 - MC, F. Rohart ≤2010 PE, G. Wlodarczak - PR), « Analyse de

Traces » (Y. Carpentier ≥2011 MC, B. Chazallon - PR, C. Focsa – PR, M. Ziskind – MC - HDR), « Conversion de spin

nucléaire » (P. Cacciani – CR-HDR, J. Cosléou - PR, M. Khelkhal - MC, S. Magnier ≥2009 PR), et C. Demuynck

≤2011 PE. T. Huet est la représentante de l’équipe « Spectroscopie et Applications » et les responsables des 3

sous-équipes (P. Cacciani, C. Focsa, T. Huet) sont associés à l’équipe de direction. Sur une période de 5 ans, les

effectifs sont restés stables : 3 départs en retraite (2 PR, 1 DR) et 3 recrutements extérieurs (2 MC, 1 PR). Trois

enseignants-chercheurs ont été promus PR.

Entre janvier 2008 et juin 2013, l’équipe a accueilli :

- 5 chercheurs post-doctorants (P. Cermak, P. Kania, C. Richard, M. Tudorie, et T. Amodeo avec le PC2A) et les

visites de J.-R. Aviles-Moreno, V. Gupta, Y. Fawzi Hamadé.

- 16 étudiants en thèse, dont 9 en co-direction avec un autre laboratoire (annexe 7, 9 thèses soutenues avant fin

juillet 2013 : L. Aballéa, A. Faccinetto, C. Ursu, E. Grigorova, J. Skrinsky, A. Oancea, S. Facq, L. Diologent, G.

Pompilian, 7 thèses en cours : J. Assaf, Imane Haykal, A. Wallet, P. Delcroix, J. El Romh, B. Fatou, O.

Zakharenko), et les visites de M. D. De Vizia (Naples, 05-06/2010 et 09/2011), R. Cimpoesu (Iasi, 04/2010 -

07/2010), G. Dascalu (Iasi, 11/2010 - 07/2011), A. Kutsenko (Kharkov, 11/2011), I. Smirnov (Kharkov, 11/2012),

L. Vrajitoriu (Iasi, 01/2013 - 07/2013).

- 8 stagiaires de Master 2 (Tomczak, 2010, Marius Varut 2011, G. El Reaidy 2012, S. Grimonprez 2012, R. Manita

2012, J. El Romh 2012, E. Neeman 2013, J. Wengler 2013).

L’équipe a développé de nombreuses collaborations :

- Nationales : LPMAA-Paris 6 (X. Michaut et J.-H. Fillion), LADIR-Paris 6 (équipe P. Asselin, D. Jacquemart et N.

Lacome) ; Bolbach, Dudeck (Paris 6) ; LISA-Paris 7 et 12 (L. Coudert, I. Kleiner, A. Perrin, J.-M. Hartmann, H.

Tran), LPL-Paris 13 (équipe C. Chardonnet), LAOG-Grenoble 1 (C. Ceccarelli, A Faure), LAB-Bordeaux 1 (D.

Despois), IPR-Rennes 1 (R. Georges, J.M. Launay & A. Viel), ENSC-Rennes 1 (J.-C. Guillemin), ISC-Rennes1 (V.

Nazabal), ligne de lumière AILES à SOLEIL (O. Pirali, P. Roy), UTINAM-Besançon (J. Buldyreva), ISMO-Paris 11 (J.-

P. Bouanich) ; Paris 11 (D. Pagnon), LPCA-ULCO (C. Cœur-Tourneur, A. Cuisset, F. Hindle et G. Mouret), PIIM-

Marseille (C. Martin), LASIM-Lyon (A.J. Ross), U. Orléans (S. Pellerin), IFREMER (Charlou, Ruffine), ENS-Mines St-

Etienne (JM. Herri), ENSTA Paris Tech (D. Dalmazzone), ENS-Mines Paris (C. Coquelet, D. Richon), LFC-Total

Univ. Pau (D. Broseta, J.P. Torré)

- Internationales : J. Cernicharo, J.-R. Aviles-Moreno (Espagne), J. Vander Auwera (Belgique), S. Gurlui

(Roumanie), H. Ozeki (Japon), W. Bailey (USA), E. Alekseev et V. Ilyushin (Ukraine), G. Cazzoli, L. Dore,

C. Puzzarini, L. Gianfrani (Italie), A. Predoi-Cross (Canada), M.A. Koshelev et M.Y. Tretyakov (Russie), M.A.

Lyyra (USA), V. Sovkov (Russie), Li Li (Chine), F. Taher (Liban), P. Nemec (Rep. Tchèque), O. Popovitcheva

(Russie), H. Grothe, T.U. Vienne (Autriche), P. Ayotte (Univ. Sherbrooke, Québec)

La production de l’équipe 5 (annexe 6) s’élève à 7 livres/chapitres de livres, 146 articles et actes de

colloques dans des revues avec rapporteur, 36 conférences invitées et 228 communications et affiches

présentées à des colloques. La moitié des 146 articles ont été publiés dans des revues de facteur d’impact (FI)

supérieur à 2.4 : 1 ApJS (FI=13.4), 2 ApJ (FI=6.0), 1 Environ. Sci. Technol (FI=5.2), 19 A&A (FI=4.6), 1 Chem.



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Geol. (FI=4.0), 1 Atmos. Environ. (FI=3.8), 5 PCCP (FI=3.6), 1 Combust. Flame (FI=3.6), 13 JCP (FI=3.2), 1

Spectrochim. Acta B (FI=3.1), 2 PRA (FI=3.0), 18 JPCA (FI=2.8), 1 Phys. Rev. E (FI=2.5), 10 JQSRT (FI=2.4)

Le type de financements obtenus (annexe 6) a évolué au cours du temps. Bien ancrée dans les

programmes européens FP6 (3 contrats), l’équipe a ensuite été très active dans les appels à projets de l’ANR (8

contrats) au niveau national et dans les contrats de collaborations internationales du type PICS et PHC (7

contrats). Elle a également bénéficié de crédits CPER (IRENI) et est, depuis mars 2012, partenaire du

Laboratoire d’Excellence CaPPA (Chemical and Physical Properties of the Atmosphere). Il convient aussi de noter

le soutien précieux des programmes nationaux PCMI et LEFE-CHAT (CNRS/INSU). Les crédits récurrents (CNRS/INP

et Lille 1) dont bénéficie l’équipe ont été ponctuellement complétés par des crédits BQR (Lille 1) et

d’intervention (CNRS/INP). Enfin si l’équipe bénéficie principalement de contrats publics, elle a récemment

obtenu un contrat (CORAC) qui montre son ouverture vers les applications d’intérêt industriel.

2.5.1- Développements instrumentaux

Spectromètres submillimétriques. Le PhLAM dispose d’une grande expertise en spectroscopie

centimétrique, millimétrique et submillimétrique de molécules atmosphériques et astrophysiques. Afin de

maintenir son instrumentation au meilleur niveau international (JPL, Pasadena USA et Universität zu Köln,

Allemagne), des moyens importants ont été consacrés aux développements instrumentaux. Cet investissement a

été particulièrement mis en valeur dans les études d’intérêt astrophysique (section 2) grâce au soutien du

programme national PCMI et des ANR TopModel et Forcoms, obtenues en 2008.

D’abord des efforts conséquents ont été faits afin d'améliorer les performances du spectromètre

submillimétrique dédié à l’étude des molécules stables. D’abord les sources carcinotrons (BWO) ont été

remplacées par des multiplicateurs de fréquence à semi-conducteurs à base de diodes Schottky, jusque 500 GHz.

Nous avons pu montrer que même si ces sources sont moins puissantes que les carcinotrons, elles sont moins

bruyantes, nous permettant d'obtenir la même sensibilité, sans devoir pallier aux difficultés d’utilisation des

carcinotrons (tension et champ magnétique élevés, refroidissement). La deuxième étape a consisté en 2011,

grâce à des crédits ANR, à étendre l’utilisation de ces sources solides jusque 660 GHz, puis des crédits PCMI et

une dotation exceptionnelle du CNES en soutien aux missions HERSCHEL a permis d’augmenter la gamme du

spectromètre de 660 GHz à 990 GHz avec ces dispositifs « tout solide ». Notre couverture spectrale couvre

maintenant complètement la plage du télescope ALMA.

Le schéma de principe de ce spectromètre est illustré Figure 1. La technique de modulation de fréquences

assure une sensibilité optimale.

Fig. 2.5-1. Schéma de principe du spectromètre 75-950 GHz basé sur des sources de multiplication de fréquence

Par ailleurs une jouvence des sources du spectromètre dédié à l’étude de radicaux et d’ions moléculaires a été

effectuée en 2012. D’une part la gamme haute a été étendue au domaine térahertz grâce à l’acquisition de deux



janvier 2013

100

tubes électroniques émettant dans la gamme 650 – 960 GHz. D’autre part, la gamme basses fréquences

(inférieure à 500 GHz) sera très prochainement accessible à l’aide d’une chaîne de multiplication de fréquence

pour un fonctionnement « tout solide ». Enfin, l’application de la technique de modulation Zeeman (modulation

par tout ou rien des signaux liés aux radicaux), qui permet de s’affranchir de la limitation en sensibilité du

spectromètre (Taux d’Ondes Stationnaires) est en cours de développement. Un amplificateur audio de puissance

pour piloter les solénoïdes a été acheté. Diverses sources de financement ont permis ces évolutions : contrat

européen QUASAAR, crédits d’intervention du CNRS, Labex CaPPA, ANR TopModel et l’action sur projet Physico-

Chimie du Milieu Interstellaire (PCMI).

Aussi en 2012, un cofinancement IRENI-LAPEX CAPPA-Fonds propres-PCMI a permis l‘acquisition d’un tout

nouveau système à l’état de l’art qui couvre la gamme 1.1-1.5 THz (chaîne de multiplication de fréquences). Mis

en place début 2013, dans le cadre de la thèse de doctorat de O. Zakharenko, les applications de ce nouveau

système sont larges : composés organiques volatiles, molécules organiques complexes, radicaux, ions.

Enfin il convient de noter que la jouvence des spectromètres à impulsions micro-ondes couplés à un jet

moléculaire (2-20 GHz) a été terminée en 2008, et qu’un spectromètre microonde couvrant la gamme spectrale

(18-67 GHz) est en cours de développement, dans le cadre de l’ANR NCPCHEM, avec pour objectif l’étude de

complexes de Rhénium, de composés organiques volatils et de composés soufrés.

Spectromètre Jet-Ailes à SOLEIL. Le projet Jet-AILES a été développé par le PhLAM (avec le soutien de

l’ANR TopModel), l’IPR (Rennes 1) et le LADIR (UPMC). Il s’agit d’un jet moléculaire couplé au spectromètre IRTF

Brüker IFS125HR de la ligne de lumière AILES (Advanced Infrared Line Exploited for Spectroscopy) à SOLEIL, un

synchrotron de troisième génération (St Aubin, France). AILES est un outil spectroscopique de premier choix -

notamment dans la région THz - dévolu à la physique moléculaire. Le dispositif a été développé en étroite

collaboration avec P. Roy (responsable de ligne). Le consortium a un statut d’utilisateur expert. Depuis 2012

Jet-Ailes est ouvert aux utilisateurs. Jet-Ailes permet la spectroscopie de molécules refroidies, de complexes

hydratés et d’agrégats. Il est décrit ci-après (Fig 2)

A la sortie de l’interféromètre (port parallèle), le faisceau infrarouge est focalisé (diamètre inférieur à 3 mm)

dans la chambre d’expansion par deux miroirs, plan (M1) et toroïdal (M2). Après passage dans l’expansion

supersonique, le faisceau est injecté directement dans le compartiment détecteur. Un second miroir toroïdal

(M3) et un second miroir plan (M4) sont utilisés pour diriger et focaliser le faisceau soit dans un détecteur MCT

soit dans un bolomètre. Les compartiments sont sous vide secondaire. Les gaz et vapeurs sont injectés

continûment et contrôlés avec des débitmètres. Le jet supersonique est produit dans des fentes de longueur

égale à 3, 6 ou 9 cm, chauffées jusque 470 K avec un gaz porteur (He ou Ar) dont le débit maximal est d’environ

30 slm (standard litre per minute). Les fentes sont réalisées en aluminium trempé, et fixées à un support réalisé

en acier inoxydable régulé en température par deux cartouches chauffantes. Nous disposons d’un jeu de fentes

dont la largeur varie entre 10 mm (étude de gros agrégats) et 120 mm (étude de molécules froides et complexes

hydratés). La chambre d’expansion est évacuée par deux pompes Roots (500 m3/h et 2600 m3/h) entraînées par

une pompe primaire (80 m3/h). Le dispositif est fixé sur un bloc de béton de sorte à réduire les vibrations. Les

performances du groupe de pompage permettent l’injection continue de 30 slm d’hélium (22.4 slm = 1

mole/min) pour une pression de chambre résiduelle de 1.6 mbar.

Fig. 2.5-2: Schéma de principe du dispositif Jet-Ailes [PIR13]



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101

Il s’agit d’une instrumentation unique en France qui a produit ses premiers résultats pour des molécules

atmosphériques et astrophysiques [CIR11], [PIR13], [BOU13]. Le PhLAM est porteur d’un projet en cours sur

l’acide acétique (monomère, dimères) et sera utilisé pour l’étude de COVBs (Labex CaPPA).

Spectromètre Bio-MALDI. Un axe de recherche a été initié fin 2009 en collaboration avec une équipe du

Laboratoire de Spectrométrie de Masse Biologique, Fondamentale & Appliquée (FABMS, EA 4550) de Lille 1 et

d'un groupe du Laboratoire des BioMolécules (UMR 7203) de l'Université Pierre et Marie Curie. L’objectif initial

est le développement et l’étude de systèmes destinés à pallier les limites en termes de sensibilité et de

résolution spatiale des sources MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption Ionisation). Cette collaboration a

bénéficié d’une allocation de thèse président au titre du soutien au projet interdiscipl inaire entre les Ecoles

Doctorales Biologie-Santé et SMRE, et de l’acquisition d’un instrument MALDI-TOF commercial qui a conduit à la

réalisation de montages novateurs et nécessaires à la mise en place du projet. Nous avons ainsi développé avec

l'Institut d'Electronique, Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN, UMR 8520, Lille 1) des systèmes de

masques à apposer sur l'échantillon étudié en pratiquant des ouvertures par gravure plasma de galettes de

silicium. Nous avons pu récemment montrer que certaines configurations de masques (épaisseur, forme et taille

des ouvertures, espacement entre les ouvertures) permettent d'augmenter simultanément la sensibilité (d'un

facteur 2 à 5) et la résolution spatiale de la technique MALDI au niveau cellulaire. Cet effet a pu être interprété

dans le cadre des processus MALDI, c’est-à-dire à travers l’augmentation du rendement de la matrice ionique

(ionisation primaire) et des interactions entre l’analyte et la matrice (ionisation secondaire). Un article a été

soumis pour publication dans Analytical Chemistry [DIO13]. Parallèlement, nous avons développé un système

original permettant la désolvatation des agrégats formés dans le processus MALDI via l’implémentation d’un

second faisceau laser sur notre instrument. Ce laser a pour rôle de stimuler les agrégats présents dans la plume

de désorption, afin de les dissocier et libérer des ions nus analysables qui contribueront à augmenter l’intensité

des pics correspondant dans les spectres de masse. Par utilisation d’un laser pulsé émettant à 1064 nm il a été

ainsi possible de mettre en évidence une augmentation d’un facteur 2 à 3 de l’intensité des signaux d’analyte.

Un article est en cours de rédaction.

Développements métrologiques. Une approche optoélectronique pour la spectroscopie THz a été

développée avec une antenne photoconductrice LTG-GaAs. Deux diodes laser sont stabilisées en fréquence sur

les résonances d’une cavité optique avec la technique de Pound-Drever-Hall. Les lasers sont décalés en

fréquence avec des modulateurs acousto-optiques, font un battement dans l’antenne photoconductrice

(puissance optique 2× ~10 mW, polarisation par tension continue) et génèrent un rayonnement THz qui est

détecté avec un bolomètre. Le dispositif assure l’accord en fréquence continu dans le domaine 0.2−2 THz

(puissance ~1−0.01 µW), une pureté spectrale du battement ~70 kHz et une reproductibilité en fréquence de ~35

kHz. Il a permis la mise en œuvre de techniques de modulation THz et la mesure de raies moléculaires de

rotation. Par ailleurs, la réponse électrique non linéaire de l’antenne a été exploitée pour mettre en place

différentes techniques de détection du rayonnement THz. La source employée est un multiplicateur de

fréquence (puissance ~2.5 mW à 0.1 THz) piloté par un synthétiseur microonde référencé à un étalon de

fréquence. La détection directe avec l’antenne photoconductrice a l’avantage d’une bande passante

exceptionnelle par rapport au bolomètre mais présente une moindre sensibilité (rapport signal sur bruit SNR=20

dB dans une bande passante BW=1 kHz, responsivité R=1.6×10 -4 A/W). La détection hétérodyne employant le

battement entre les diodes laser comme oscillateur local (OL) est plus sensible (SNR=25 dB, BW=1 MHz, R=3×10 -3

A/W). Cette approche intègre les fonctions OL et détecteur dans un seul circuit ultrarapide et offre une

détection sensible à la phase du rayonnement THz. Enfin, un peigne de fréquences THz avec la porteuse et la

fréquence de répétition référencées par rapport à un étalon de fréquence a été généré avec le multiplicateur de

fréquence opéré en mode pulsé et détecté en mettant en œuvre une technique d’échantillonnage optique

asynchrone avec la détection hétérodyne.

La question de la variation du rapport entre la masse de l’électron et celle du proton (µ) a été abordée à

travers l’étude de la dépendance en µ de l’écart en fréquence X=frv1-frv2 entre deux transitions rovibrationnelles

en coïncidence. L’augmentation de la sensibilité de X à la variation fractionnelle de µ dX/d(logµ) est d’environ

½ du rapport entre l’écart des origines des bandes vibrationnelles dont relèvent ces transitions et X.

L’identification des transitions a été effectuée dans le domaine spectral à 1.5 µm pour différentes espèces

isotopiques ou bandes vibrationnelles en résonance de l’acétylène. La dépendance de la fréquence des

transitions rovibrationnelles en fonction de µ a été calculée en s’appuyant sur un modèle du hamiltonien

moléculaire et les constantes spectroscopiques de l’acétylène disponibles dans la littérature. Le facteur

d’augmentation de la sensibilité est >103 pour l’écart en fréquence des transitions en coïncidence identifiées.



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102

2.5.2- Etudes d’intérêt astrophysique

Les études spectroscopiques. Notre équipe a répondu au besoin pressant d'observer et de caractériser la

signature centimétrique, millimétrique et submillimétrique de molécules astrophysiques et pré-biotiques

(principalement des molécules organiques de masse inférieure à 500 uma) contenant des groupements CH 3, OH

ou NH2. Ces molécules sont parmi les nouvelles cibles visées dans les observations des radiotélescopes Herschel

(observatoire spatial), ALMA (Atacama Large Millimeter Array) et SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared

Astronomy). L’ANR TopModel (PhLAM-LISA) visait à modéliser le mouvement de torsion de molécules

astrophysiques dans une gamme spectrale allant des microondes au THz. Pour cela le PhLAM et le LISA ont

associé et développé des compétences très complémentaires, expérimentales et théoriques. Au niveau national,

les deux partenaires ont largement contribué au succès du Programme National de Physico-Chimie du Milieu

Interstellaire, pour la spectroscopie de Laboratoire. Vu la forte pression au niveau international (notamment

JPL, USA) notre consortium avait placé comme objectif prioritaire l’étude de la molécule de formiate de

méthyle (HCOOCH3) et de ses isotopologues (H13COOCH3, HCOO13CH3, DCOOCH3, HCOOCH2D, HCOOCHD2,

HC18OOCH3, HCO18OCH3, synthétisés par J.-C. Guillemin à Rennes). Cette molécule, classée par les

astrophysiciens de la mission Herschel dans la catégorie « Weed I », est responsable d’une partie de la «

confusion spectrale » observée dans les spectres astrophysiques, ce qui rend nécessaire une modélisation précise

– en laboratoire – de son spectre afin de permettre la détection de nouvelles molécules. Par ailleurs, les

rapports isotopiques (13C/12C, D/H, 18O/16O) représentent des informations très utiles pour contraindre les

modèles astrochimiques sur lesquels sont basés différents scénarios de l’origine de la vie. Nos analyses du

spectre des espèces isotopiques 13C, D et 18O du formiate de méthyle sont les premières à reproduire l’ensemble

des données expérimentales recueillies au laboratoire à la précision expérimentale et ont donc un très bon

pouvoir de prédictibilité. Nous avons donc bien atteint les objectifs sur la spectroscopie des isotopologues de

HCOOCH3 et leur détection astrophysique (plus de 1600 raies détectées dans Orion-KL, en collaboration avec J.

Cernicharo) ([CAR09], [CAR10], [MAR10a], [COU12], [TER12]). Pour le PhLAM et le LISA, l’impact scientifique du

projet TopModel s’est traduit par la reconnaissance de la communauté astrophysique qui associe aujourd’hui

volontiers la spectroscopie de laboratoire à la détection de nouvelles espèces dans l’espace. De ce fait les

échanges entre disciplines sont plus nombreux et de nouveaux projets collaboratifs ont vu le jour tout au long de

l’ANR. Cette activité s’est poursuivie dans le cadre de la thèse de I. Haykal. Il convient de mentionner

également des contributions relevant de la physico-chimie fondamentale, développée dans le cadre du post-

doctorat de M. Tudorie. Ainsi la première observation de la bande fondamentale de torsion du formiate de

méthyle, sur la ligne AILES de SOLEIL et dans la région THz, a permis en collaborat ion avec V. Ilyushin (Kharkov)

et J. Vander Auwera (Bruxelles) de modéliser le spectre en fréquence et en intensité et de stabiliser les

paramètres moléculaires décrivant le mouvement de torsion [TUD12]. Nous avons aussi observé et modélisé la

structure hyperfine magnétique d’un groupement méthyle soumis à un mouvement de rotation interne [TUD11].

Coordonnée par le PhLAM, l’ANR TopModel a conduit à la publication de 20 articles et la présentation de 46

communications dans des colloques, dont 7 conférences invitées. Les articles présentent soit des résultats de

spectroscopie publiés dans les revues spécialisées de physico-chimie, soit des détections de nouveaux signaux

moléculaires dans le milieu interstellaire publiées dans des revues d’astrophysique. Enfin TopModel a contribué

à la base de données astrophysique Splatalogue, dédiée au projet ALMA.

Par ailleurs l’équipe a aussi contribué à l’ANR FORCOMS dont l’objectif pendant ces quatre années a été

de clarifier des étapes clés vers la complexification moléculaire dans plusieurs régions de formation stellaire et

de découvrir de nouvelles espèces moléculaires, essentielles pour la complexification. Ceci a été réalisé

notamment grâce à l’exploitation des nombreuses observations issues des télescopes IRAM et Herschel, couplée

avec l'acquisition de nouvelles données spectroscopiques et la réalisation de calculs de chimique quantique,

ainsi que le développement d'un nouveau modèle d'astrochimie de formation des glaces moléculaires sur les

grains de poussière interstellaire. Le taux de deutération des molécules pourrait donner des informations

essentielles sur leurs origines. La tâche de notre équipe a été d’enregistrer, et d’analyser les spectres de

plusieurs molécules organiques complexes deutérées telles que le formiate de méthyle [MAR10a], le

glycolaldéhyde [BOU12], le formamide [KUT13] et le diméthylether [RIC13]. L’analyse des spectres de molécules

présentant des mouvements de rotation interne telles que le formiate de méthyle et le diméthylether est

complexe et délicate. Ces travaux ont pu être réalisés grâce à l‘appui de théoriciens (I. Kleiner et L. Coudert du

LISA, P. Groner de l’Université du Kansas), ce qui a permis la première détection de leurs isotopologues deutérés

dans le milieu interstellaire. Pour les autres molécules non détectées actuellement, ces données restent très

utiles pour la communauté astrophysique et permettront leur détection avec le radiotélescope ALMA qui sera



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beaucoup plus sensible que les instruments actuels. Par ailleurs les activités liées aux molécules très instables

ont essentiellement porté sur l’étude de radicaux ayant un intérêt pour l’astrochimie. Elles ont en particulier

concernées la détection des variétés 15N de NH, NH2 et HNC. La motivation principale provient de variations du

fractionnement isotopique de l’azote observées au sein du milieu interstellaire. Ces variations, les plus

importantes après celles de l’hydrogène, sont mal comprises. Les radicaux 15NH et 15NH2, en tant

qu’intermédiaires participant à la formation de l’ammoniaque interstellaire, sont des molécules cibles favorites

(au même titre que H15NC) visant à mieux comprendre l’origine de ces variations. Des données préalables issues

de mesures faites en laboratoire sont essentielles pour une détection radioastronomique de ces espèces. Les

mesures ont été réalisées conjointement au PhLAM jusque 1 THz et sur la ligne AILES du synchrotron Soleil avec

O. Pirali [BAI12a]. Un autre point marquant a été obtenu avec la première détection en laboratoire du radical

CHD, le méthylène mono-deutéré. L’étude de cette molécule présente de multiples intérêts. En tant que

molécule mère des carbènes, c’est une espèce très réactive qui joue un rôle fondamental dans de nombreuses

réactions chimiques, y compris dans celles du milieu interstellaire (comme dans la réaction CH2D+ + e- CHD +

H). Sur le plan théorique, le méthylène étant une toupie exceptionnellement flexible, le Hamiltonien standard

de Watson ne reproduit pas correctement les niveaux d’énergie. Nos travaux dans le cadre de cette ANR ont

donné lieu à 8 articles, 9 communications (orales ou posters) et 4 conférences invitées.

Aussi la synthèse des molécules organiques complexes dans le milieu interstellaire n'est pas encore bien

comprise. L'expertise du laboratoire dans la modélisation des spectres de molécules organiques flexibles

(formiate de méthyle, diméthyléther, acétone) a été mise à profit dans plusieurs études liées à des observations

radioastronomiques à haute résolution spatiale, conduites au Plateau de Bure. Dans OrionBN/KL, il a été montré

que la répartition de l'acétone était différente de celles du diméthyléther et du formiate de méthyle et qu'elle

était plus proche de la distribution des molécules organiques azotées, suggérant des mécanismes de formation

originaux [FAV11], [BRO13], [PEN13].

Enfin, une contribution de chimie quantique a été apportée dans le cadre de l’ANR LASSA. LASSA est un

projet essentiellement expérimental dont le but est d’étudier les propriétés électroniques des hydrures de

métaux de transition (MH), et de mesurer la réponse magnétique de ces espèces par spectroscopie optique. Ces

molécules intéressent particulièrement la communauté des astrophysiciens car elles sont détectées dans les

spectres des étoiles froides et dans les taches solaires. Comme le champ magnétique affecte les raies spectrales

moléculaires (effet Zeeman), elles permettent de sonder les atmosphères stellaires magnétisées. Dans les

étoiles relativement froides (naines de type M, taches solaires), la spectroscopie atomique dev ient inopérante,

car les spectres moléculaires dominent. En prenant en compte les contraintes de longueur d'onde (fenêtre

atmosphérique), de réponse magnétique et de sensibilité de détection, les MH émergent comme candidats les

plus prometteurs pour sonder les environnements stellaires, particulièrement avec les instruments modernes

comme ESPaDOns, dont la résolution permet d'analyser les structures Zeeman moléculaires. Les monohydrures

de fer et de nickel sont les premières molécules étudiées. Les expériences ont été réalisées au LASIM par

l’équipe d’A.J. Ross et en parallèle, les collègues du LATT impliqués ont eu en charge la recherche de NiH et

FeH dans les régions appropriées du spectre solaire sur l'instrument THEMIS. Le travail théorique consiste à

écrire le code approprié à l’analyse des spectres en tenant compte de l'effet Zeeman. Ce travail n'est

actuellement pas terminé. En parallèle, dans le cadre du développement d'une collaboration internationale avec

le Liban (F. Taher) initiée en 2010, les molécules de Lutétium (LuBr, LuI et LuO) sont en cours d'étude par les

méthodes de chimie quantique classiques (programme MOLPRO) en vue de constituer une base de données utiles

à la communauté des astrophysiciens.

Conversion de spin nucléaire. Dans les prospectives du précédent rapport, nous proposions d'apporter

des données de laboratoire (expérimentales et théoriques) pour aider à cerner les paramètres qui influencent la

conversion de spin nucléaire et ses échelles de temps caractéristiques dans ses différentes phases (solide, gaz et

à l'interface entre ces deux états). Le but est de comprendre le comportement d’une molécule à l’interface gaz

– solide lors des phases d’adsorption et de désorption sur les grains ou poussières interstellaires. Ce projet a été

validé par l'obtention d'une ANR blanche GASOSPIN pour 4 années (2009-2013) qui couvre presque entièrement la

période de notre bilan et qui a mobilisé entièrement notre activité de recherche. Le titre en est « Conversion de

spin nucléaire de molécules hydrogénées à l'interface solide-gaz ». Elle implique deux autres équipes :

celle de X. Michaut et J.-H. Fillion (LPMAA, Paris), spécialiste de la conversion de spin nucléaire sur des

matrices de gaz rares, avec laquelle nous avions déjà créé un partenariat pour des projets soutenus

dans le cadre de programmes PNP e PCMI



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celle de C. Martin (PIIM, Marseille) qui nous a rejoints en tant que spécialiste des comportements des

molécules à très basse température, lors des phases d'absorption et de désorption.

Avec notre compétence acquise précédemment sur la conversion en phase gazeuse, nous avions ainsi la capacité

de mener à bien ce projet, en nous concentrant plus spécifiquement sur des molécules plus fondamentales pour

l’astrophysique, telles que l’eau, le méthane, l’ammoniac et le formaldéhyde. Nous avions anticipé le sujet en

2008, en développant une expérience sur H2O sur la base de l'observation d'un groupe russe Tikhonov et Volkov

(Science, 296, 2363 (2002)) où un enrichissement isomérique est obtenu lors de la traversée par les molécules

d'eau d'une colonne de chromatographie contenant du charbon actif. L'enrichissement est la clé expérimentale

qui permet d'observer la conversion de spin. Cette technique semblait particulièrement intéressante. C'est

pourquoi X. Michaut et P. Cacciani ont visité le groupe russe pour discuter des conditions expérimentales de ce

processus. L'expérience réalisée au laboratoire a consisté à mesurer l'absorption progressive par le charbon actif

à partir de deux raies voisines correspondant aux deux espèces ortho et para. Aucune variation du rapport

ortho/para n'a été détectée durant ce processus. La raison de cet échec est donnée plus loin. A partir de 2009,

nos efforts furent consacrées à 100% sur les taches programmées de notre ANR soit l'interaction gaz-surface,

l'approche théorique, le développement de méthode de mesures sensibles des populations isomériques, et le

développement de techniques d'enrichissement en isomère de spins. Une cellule CEAS a été développée puis

nous avons bénéficié du prêt d'une cellule Herriot refroidie (LPMAA) avec laquelle des expériences d'absorption

directe sont possibles. Nous avons cherché à transférer pour la phase gaz, la méthode utilisée par nos

partenaires pour des molécules en matrice de gaz rares : à savoir la variation rapide de température dans une

gamme où les rapports ortho/para varient significativement de la proportion observée à température ambiante.

Si il y a conversion, l'ensemble des molécules finiront par atteindre l'état le plus bas d 'énergie, s'il n'y a pas

conversion chaque ensemble de molécules d'une espèce donnée, atteindront leur état le plus bas respectif. La

température critique pour laquelle ces deux hypothèses divergent est d'environ 200K pour H 2O, 100K pour

l'ammoniac NH3 et 45K pour le méthane CH4. En janvier 2009, nous avons déplacé notre système laser au LPMAA

pour mesurer le spectre du méthane autour de 1.5microns à l'intérieur d'une cellule Herriot dont la température

peut être ajustée jusqu'à 15K. Lorsque la température descend, la pression de vapeur saturante et donc le

nombre de molécules en phase gaz chute très rapidement et il est possible ainsi d'observer un spectre jusqu'à 55

K environ. Grâce à l'ANR blanche nous avons pu recruter un post-doc pour 2 ans (Peter Cermak) qui avait

développé lors de sa thèse une source laser à 2.3microns (VECSEL). Cette gamme de longueur d'onde est

beaucoup plus favorable pour l'étude du méthane. Nous avons étudié le méthane dans cette gamme et observé

le spectre jusqu'à une température limite de 42K. L'équilibre isomérique des populations commence tout juste

(1%) à s'éloigner de sa valeur à 296K. Nous avons étudié alors les situations suivantes en observant en temps réel

les populations :

-descente d'un échantillon gazeux à 15K et réchauffement rapide (1 à 2 minutes) jusqu'à 50K où la phase

gaz redevient observable.

-introduction rapide de molécules à température ambiante dans la cellule refroidie préalablement à 15K.

Nous n'avons pas pu mettre en évidence de comportement spécifique signature d'un enrichissement isomérique

ou une conséquence d'une conversion ou non de spin. Cependant nous avons observé pendant ce refroidissement

rapide, la signature spectrale simultanée de la phase gaz et de la phase solide pendant une durée de quelques

secondes. Le suivi en temps réel grâce à la source VECSEL d'un nombre important de transitions de nombre

rotationnel J et de symétrie (A,E,F) différents a pu être enregistré. Des évolutions différentes suivant la

symétrie ont été observées mais n'ont pas encore reçues d'analyse pertinente. Dans le cas du réchauffement,

nous avons ajusté la quantité de molécules présentes dans la cellule afin d'obtenir une situation finale où la

phase gaz mesurée se retrouve en présence ou non de la phase solide (“ glace ”), avec l'idée d'observer une

différence entre ces situations. Nous avons observé la signature de la phase solide de CH 4 ainsi que la transition

de phase (phase I -phase II) qui arrive vers 20K. Nos développement théoriques du calcul de ces temps de

conversion ([CAC09], [CAC12a] et CH4 en préparation) a permis l'interprétation de données sur les temps de

conversion en matrice de gaz rares ainsi que les hypothèses émises pour les jets moléculaires et la phase gaz. Au

delà de la validité du modèle dit de relaxation quantique, elle constitue un guide pour l'élaboration de schémas

expérimentaux pour l'observation de la conversion de spin. Nous avons ainsi montré que la méthode russe

évoquée plus haut pour enrichir un échantillon d’eau ne peut qu’être un échec, le temps de conversion étant

extrêmement court (environ 1 s) par rapport au temps de passage dans la colonne chromatographique.



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2.5.3- Etudes d’intérêt environnemental

Processus atmosphériques hétérogènes. Le projet « incorporation de gaz dans la glace atmosphérique »,

initié lors des précédentes évaluations, a été soutenu au niveau national par le programme LEFE (Les Enveloppes

Fluides et l'Environnement) de l’INSU pour la période 2007-2010. Il regroupait différentes équipes des

laboratoires LGGE (UMR 5183), UTINAM (UMR 6213), CINAM (UMR 7325) et LCPMR (UMR 7614). Nous pouvons

mentionner également que suite au développement de cette thématique l’équipe de chimie quantique théorique

du laboratoire PhLAM nous a rejoints dans ce projet. Avec plus d’une quinza ine de publications parues, ces

travaux ont aujourd’hui atteint une phase de maturité. Au niveau scientifique, les faits les plus marquants

concernent la mise en évidence du devenir d’espèces dissoutes en excédent par rapport à leur solubilité

thermodynamique dans la glace et rejetées à l’interface gaz-solide ou piégées sous forme d’hydrates dont

l’évolution a été suivie par diffusion Raman et DRX. L’étude de la cristallisation de particules de glace en

présence d’éthanol a révélé deux régimes de composition : l’un à l’origine de la formation d’une particule de

composition homogène à base d’hydrates cristallins et l’autre à l’origine d’une particule hétérogène à base de

glace et d’hydrates cristallins et de solutions surfondues (thèse S. Facq 2011, [FAC13]). L’autre point marquant

de nos résultats concerne la caractérisation des échantillons de glace produits par condensation ou dépôt à

partir de la phase vapeur (mode d’incorporation d’importance dans l’atmosphère terrestre, mais aussi dans le

milieu interstellaire) avec une analyse Raman et DRX résolument tournée vers la détermination des limites de

solubilité (domaine d’existence des solutions solides et des hydrates) de composés organiques (thèse A. Oancea

2010 (Marie-Curie/TOTCAT), thèse S. Facq 2011, [CHA08], [FAC10]). Ce thème se poursuit actuellement sous la

forme d’une thèse en co-direction avec le laboratoire PC2A (Physicochimie des Processus de Combustion et de

l'Atmosphère, UMR 8522, Univ. Lille1) et concerne la solubilité du formaldéhyde dans l’eau et la glace à

l’approche de la fusion (thèse P. Delcroix), en lien avec le Labex CaPPA (WP2) (voir ci-après). Cette activité

ainsi que celle liée à la production et à l’étude d’agrégats hydratés d’intérêt atmosphérique et/ou biologique

[MIH08a] par désorption laser résonante initiée lors de la précédente évaluation nous a également amené à

rejoindre le GdR 2758 "Thermodynamique, Fragmentation et Agrégation de systèmes moléculaires complexes

isolés" entre 2007 et 2012, puis le GdR 3533 "Edifices Moléculaires Isolés et Environnés" en 2012.

Le projet d'intérêt environnemental « Phase adsorbée de particules de suies émises par les processus de

combustion » utilise les compétences acquises précédemment dans la mise en œuvre de la technique de désorption

laser couplée à l’analyse en masse pour caractériser la phase adsorbée (hydrocarbures aromatiques polycycliques -

HAP) des suies de combustion. Développé au PhLAM, ce projet se déroule en collaboration avec une équipe du PC2A. Il

est actuellement soutenu au niveau régional par le CPER IRENI (Institut de Recherche en Environnement Industriel),

dans l'axe 1 : Qualité de l’air, action 2 : Aérosols. Cette activité s'est développée de manière importante grâce à

l’obtention d’une ANR « SOOT » (2006-2010) impliquant 4 autres partenaires (PC2A, CINAM (UMR 7325), CORIA (UMR

6614), CETHIL (UMR 5008)). Le projet était orienté vers l’étude de l’impact des combustibles alternatifs sur les

mécanismes de formation des suies et de leurs précurseurs [LEM09]. D'un point de vue fondamental, ces travaux

([MIH08b], [FAC08]) ont permis de déterminer les conditions expérimentales pour l'analyse exclusive de la phase

adsorbée (sans destruction de la matrice carbonée) avec une excellente sensibilité (1 fmol/tir laser), reproductibilité

et la possibilité d'études quantitatives. Les applications de notre technique ont démontré tout son potentiel tant pour

l'analyse de suies « naturelles » (issues de carburants tels que le Diesel, le BioDiesel, le Kérosène) que pour l'étude des

mécanismes de nucléation des suies sur des brûleurs basse pression (pour laquelle un modèle a été proposé [FAC11]).

Ce thème de recherche s’est poursuivi dans le cadre du réseau « Atmospheric Soot Network » qui a débouché sur le

développement de nouvelles collaborations (CINAM; Moscow State University, Russie ; Swedish Environmental

Research Institute, Goteborg, Suède) pour l’étude de suies Diesel émises par des moteurs de bateau [MOL09].

L’ensemble de ces travaux a conduit à la parution d’une dizaine de publication et d'un chapitre d'ouvrage. Une thèse

de doctorat (A. Faccinetto) obtenue dans le cadre d’un financement européen (Marie-Curie / TOTECAT) a été

soutenue en décembre 2009 (en co-direction avec le PC2A). Un stagiaire post-doctoral a également participé à son

développement (T. Amodeo 2009-2010)

Le projet « Aérosols naturels ou anthropiques et leurs propriétés glaciogènes dans l’atmosphère » a débuté avec un

point important abordé lors de la thèse de S. Facq (2011). Il concernait l’influence de la présence de molécules

organiques sur la nucléation homogène de particules de glace atmosphérique. Ainsi, en contrôlant la taille et la

concentration des particules de glace, le taux de nucléation a un impact sur les propriétés radiatives des nuages de

type cirrus. L’intérêt pour ces processus a été grandissant ces dernières années comme l’illustre la conférence

annuelle EGU (European Geophysical Union) de Vienne où une session est dédiée à cette problématique depuis

environ 4-5 ans. Ce thème d’étude et notre expertise dans le domaine de l’analyse de composition de surface



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d’aérosols par désorption laser nous ont conduit à intégrer le Labex CaPPA, dans lequel nous intervenons dans la

formation et la recherche au sein de deux work packages : WP2-Propriétés physiques, chimiques et optiques des

aérosols et WP5-Contributions à l’étude des interactions Aérosols/Nuages/climat.

En parallèle, nous avons développé deux autres projets liés à ce thème de recherche. D’abord sur la période 2010-

2011, un programme d’échange PHC (AMADEUS) avec l’Institut Mat. Chem. de la Techn. Univ. de Vienne (Autriche) a

été mis en place pour l’étude de « l’impact de la présence de structures biologiques sur la nucléation de particules

de glace en relation avec la formation de nuages mixtes ou de types cirrus ». Des travaux préliminaires sur des

aérosols naturels (pollens) ont permis de caractériser la morphologie (par ESEM (Environmental Scanning Electron

Microscopy)) et la structure (Raman/IR) à partir des extraits des pollens (potentiellement agents glaciogènes, article

en révision Pummer et al., J.Raman Spectrosc. 2013). Une étude chimiométrique des aérosols naturels a débuté dans

notre équipe par le biais d’une collaboration avec le laboratoire LASIR (Univ. Lille 1) (étudiant M2 co-encadré, 2013)

et devrait se poursuivre dans le cadre du Labex CaPPA (WP5). Ensuite, le projet MERMOSE (2012-2015) a démarré

dans le cadre de l’étude de l'impact de l'aviation sur le climat. Sous l’impulsion du Réseau Thématique Aéronautique

et Environnement (RTAE) du CORAC (Conseil pour la recherche aéronautique civile française) qui recommandait la

poursuite de recherches sur les traînées de condensation et les cirrus générés par le trafic aérien en altitude, en

raison de la modification de la couverture nuageuse qui peut être une contribution possible de l'aviation au forçage

climatique, nous nous intéressons à la nucléation de particules de glace à partir d'aérosols de suies qui servent de

noyaux de condensation. L’objectif de ce projet en collaboration avec le PC2A, CINAM, CORIA, IRSN, ONERA et la

SNECMA est d’étudier l'impact des propriétés physico-chimiques des suies sur les mécanismes de formation de glace.

Ce travail passe donc par une double approche : d’une part un travail systématique sur des suies de laboratoire qui

permet de comprendre l’influence de différents paramètres (P, T, composition, morphologie,…) sur le processus de

nucléation et d’autre part une étude complète de la nucléation de la glace à partir de suies dont les caractéristiques

seront proches de celles prélevées en sortie de moteurs (moteurs développés par SNECMA et Saturne (Russie)). La

démarche est sensiblement proche de celle adoptée sur les mécanismes de nucléation à partir de bioaérosols (ci-

dessus) avec les différents scénarios de nucléation (ex : déposition, immersion), la composition des particules de

suies étant caractérisées par désorption laser. Une première campagne de prélèvement de suies dans différents

régimes moteur a eu lieu en juin 2013 à la SNECMA. Ce travail s’inscrit également dans la thématique du Labex CaPPA

(WP5).

Hydrates de méthane et applications des hydrates au captage du CO2. Le projet initial sur « les hydrates

naturels de méthane » (thèse codirigée Ifremer-PhLAM, C. Bourry 2008) se poursuit actuellement sous la forme d’une

collaboration avec l’Ifremer pour l’analyse de la structure et du domaine de stabilité des hydrates [RUF13] ainsi qu’au

travers d’une action COST « PERGAMON » (2009-2013) dont l’un des objectifs est de définir un niveau de ligne de base

du flux de méthane de l'Arctique, à partir duquel les perturbations dues au réchauffement de la planète peuvent être

mesurées. Les hydrates de méthane présents dans les sols gelés et l’océan peuvent relarguer du méthane en grande

quantité et sont susceptibles d’être à l’origine du réchauffement de l'Arctique à un rythme de plus en plus rapide. La

mise en place de campagnes de prélèvement avec le navire de recherche Marion-Dufresne devrait être prévue pour

2014-2015 avec la collection de nouveaux échantillons d’hydrates naturels dans la région des Svalbard.

Le projet « Applications des hydrates au captage du CO2 » : l’étude du procédé de captage de dioxyde de

carbone par cristallisation d’hydrates a été initié en 2008 grâce à une collaboration avec l’école des Mines de St-

Etienne à l’origine du projet ANR-SECOHYA (SEparation of CO2 by gas HYdrAtes crystallization, 2008-2011) qui

réunissait également l’ENSTA (ParisTech), l’ENS Mines de Paris, le LFC (Université de Pau) et le PhLAM. Les objectifs

du programme étaient de fournir des résultats expérimentaux et de modélisation par rapport à l'équilibre et la

cinétique de formation des hydrates de gaz à partir de mélanges d'eau et de gaz contenant du CO2 et d’établir

l’efficacité de la séparation en présence d’additifs thermodynamiques (réduction des pressions de dissociation). Pour

le PhLAM, l’objectif s’est concentré sur l’obtention de données thermodynamiques et structurelles (à l’aide de la

spectroscopie Raman in situ) et la séparation de mélanges CO2-N2 [CHA11]. L’exploitation des données collectées a

permis de paramétrer un modèle thermodynamique pour prédire le comportement des hydrates mixtes (articles en

préparation). De plus, ce projet a permis d’établir clairement que des additifs (sels d’ammonium) sont nécessaires

pour rendre compétitif le procédé. Une poursuite de cette étude est prévue sur les trois années à venir afin de

préciser la nature de l’additif thermodynamique à considérer et également optimiser la cinétique de formation avec

des promoteurs cinétiques d’hydrates (ANR déposée le 03/2013).

La spectroscopie de radicaux, de terpènes et de l’ammoniac. Un premier projet concerne « l’étude des

molécules halogénées », composants mineurs de l’atmosphère susceptibles de jouer un rôle dans les réactions



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catalytiques en chaîne perturbant la concentration de l’ozone atmosphérique. Il s’agit des radicaux CH 2I

(terminant ainsi l’étude de la série CH2X, où X = {F, Cl, Br, I}), de FCO2 et de deux composés stables doublement

halogénés (collaboration avec D. Duflot, équipe PCMT du PhLAM), CH2ICl [BAI11] et CH2IBr (en cours de

rédaction). Le radical FCO2 est un intermédiaire clé impliqué dans la dégradation stratosphérique des

hydrofluorocarbones. L’analys 4 (mode d’élongation asymétrique de CO2), sujette à

l’interaction vibronique dite pseudo Jahn-Teller, mesurée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

en Allemagne a été publiée [BAI12b].

Le projet « Etude spectroscopique de monoterpènes d’intérêt atmosphérique » concerne le Work Package

1 du Labex CaPPA (voir section 6 - Prospectives). Des signatures distinctes de molécules peuvent être détectées,

identifiées, et quantifiées par des sondeurs comme le « Infrared Atmospheric Sounding Interferometer » (IASI), à

bord de la plateforme MetOp-A, ou MIPAS et ACE-FTS (tous deux caractérisés par une résolution élevée, ~0.010

cm-1). Dans le futur, la sensibilité de ces instruments pourrait permettre l’identification de molécule s

complexes, comme les composés organiques volatils biogéniques (COVBs), leurs produits d’oxydation et de

dégradation. Les COVBs jouent un rôle majeur en physique atmosphérique. L’émission de COVBs comme

l’isoprène (C5H8), les terpènes [(C5H8)n, n>1] et leurs produits d’oxydation, dépasse largement la quantité de

COVs émis lors de l’activité humaine. Les COVBs sont aussi des précurseurs d’aérosols organiques secondaires. Le

rôle des terpènes en chimie atmosphérique est d’actualité. En collaboration avec le Dr J.-R. Aviles-Moreno

(université de Jaen, Espagne), nous avons démontré la possibilité de caractériser en laboratoire des

monoterpènes en phase gazeuse en combinant 1/ des calculs de chimie quantique pour prédire les conformères

les plus stables, 2/ la spectroscopie par impulsions microondes pour identifier expérimentalement les

conformères les plus stables, et 3/la spectroscopie IRTF pour observer et identifier leur signature dans

l’infrarouge lointain dans une cellule multi-passage à température ambiante, et déterminer les sections

efficaces d’absorption ([AVI09], [HUE12], [AVI12]).

Enfin avons aussi étudié la « spectroscopie de la molécule d'ammoniac NH3 » afin de définir des zones

spectrales où nous puissions suivre les populations relatives d'isomères de spin nucléaire. Cette molécule

possède une bande assez intense dans la gamme de notre source laser (1470-1547nm) dont l'identification est

partielle (20%) et dont l'analyse complète est un challenge pour la spectroscopie car elle correspond à une zone

d'énergie où se côtoient une vingtaine de combinaison de bandes vibrationnelles en interaction (seulement 4 ont

été identifiées). Afin d'élargir notre thématique, nous avons tiré profit de la possibilité d'enregistrer ces

spectres à des températures variables (jusqu'à disparition de la phase gaz) afin d'apporter une information

précieuse pour l'identification des transitions. L'étude de l'évolution de l'intensité relative de 2 transitions en

fonction de la température permet d'accéder à la différence d'énergie des états de départs de ces transitions.

On peut ainsi, en s'aidant de quelques transitions déjà identifiées, obtenir de manière quasi exhaustive l'état de

départ (J,K) de chaque transition, et par là même son caractère ortho ou para. Ce type d'études est une voie

possible de diversification de notre activité. Un article a été publié pour une gamme restreinte d'énergie (40 cm -

1), [CAC12b]. Une publication sur une gamme plus importante (180 cm -1) est en cours de rédaction. Les données

ont été enregistrées sur la gamme complète de nos sources (430 cm -1) et seront analysées ultérieurement. Le

même type de données est aussi disponible sur l'isotope 15NH3. Ces résultats constituent un test pour les calculs

théoriques à partir des surfaces de potentiel ab-initio. Des données expérimentales sur l'isotope 15NH3 ont été

comparées à ces calculs dans une gamme moins élevée d'énergie (4300 cm-1 source VECSEL -un article en

préparation). Le résultat montre un accord satisfaisant concernant les positions des transitions (<1 cm-1) et une

reproduction très performante des intensités de celle-ci (moment dipolaire) permettant une identification

directe. La situation est plus complexe plus haut en énergie (6600 cm-1), mais le calcul théorique constitue un

guide précieux pour les analyses futures.

Les profils de raies. Ces études avaient été initiées dans le cadre de contrats ayant pour objet la mesure

de l’élargissement collisionnel de raies de rotation de molécules d’intérêt atmosphérique. Elles se prolongent

avec l’étude des écarts des formes de raie au traditionnel profil de Voigt. L’expertise ainsi obtenue a permis de

développer plusieurs collaborations nationales ou internationales.

Le projet « Relaxation collisionnelle de CH335Cl » a été développé conjointement avec les universités de

Dunkerque et de Paris 6. Cette molécule joue un rôle majeur dans la chimie de l’ozone atmosphérique. Lors des

2 campagnes réalisées à Lille avec le spectromètre à modulation de fréquence, 6 transitions situées entre 180 et

910 GHz ont été observées dans le cas des collisions avec N2, O2, H2, CO2, He, Ne, Ar et Kr. L’interprétation des

expériences, rendue délicate par la structure quadripolaire liée au spin de 35Cl qui se superpose à la structure K



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108

habituelle des raies de rotation, a nécessité de mettre au point un code numérique permettant d’ajuster un

spectre comportant une cinquantaine de raies avec des profils tels que Voigt, Galatry, ainsi que Voigt et Galatry

dépendant des vitesses, tout en tenant compte de la loi de Beer-Lambert. Plus spécifiquement, les expériences

faites à Lille ont montré que les écarts au profil de Voigt sont dus à la dépendance en vitesse des taux de

relaxation et que les collisions avec changement de vitesse jouent un rôle négligeable. Tous ces résultats ont

été modélisés à l’aide des calculs théoriques développés à Besançon ([GUI12], [BRA13], [BUL12], [BUL13]).

Le projet « Etude de formes de raies », en plus de son intérêt fondamental, vise à répondre aux besoins

de la physique atmosphérique, suite à l’amélioration des moyens d’observation. C’est ce que montre une

modélisation du spectre de O3 faite en collaboration avec l’université de Créteil [TRA10]. Par ailleurs, les

intercomparaisons restent nécessaires, soit pour valider les performances des spectromètres (raies de rotation

de O3, collaboration avec l’université de Bologne [ROH08]), soit pour comparer des codes de calculs (raies de CO

élargies par Xe, collaboration avec l’université de Lethbridge [PRE09]).

Des résultats remarquables ont été obtenus avec l’université de Naples dont le projet est la

détermination de la constante de Boltzmann via la mesure de l’élargissement Doppler d’une raie de H 2O. Des

expériences exceptionnelles, le signal sur bruit atteignant 2.104 (Figure 3), ont permis de démontrer la

supériorité du modèle dit "hypergéométrique" de dépendance en vitesse des taux de relaxation ([DEV11],

[DEV12]), puis de réaliser une analyse précise du rôle de l’effet Dicke (collaboration avec l’université de Créteil

[TRA13]). Enfin, l’évolution avec J de la dépendance en vitesse des taux de relaxation d’une espèce moléculaire

(OCS) a pu être analysée pour la première fois, le laboratoire se chargeant de la modélisation des formes des

raies mesurées en Russie (Nizhny-Novgorod). Ces résultats sont bien reproduits par les modélisations théoriques

faites à Orsay [KOS12).

Fig 2.5-3. Comparaisons de profils de Voigt dépendant des vitesses. La supériorité du modèle "hypergéométrique" (HG) est manifeste. Transition 22,122,0 de H2

18O à 1.38 microns, P = 2.7 Torr, T = 273.16 Kelvin, signal/bruit >104 (d’après [DEV12]).

2.5.4- Caractérisation du plasma produit par ablation laser : aspects fondamentaux et applications à l’étude

de matériaux à fort potentiel technologique

Cet axe de recherche, démarré en 2006, s’est révélé très dynamique et productif, avec 18 articles et 11

conférences invitées sur la période 2008-2013. Il a été développé en collaboration avec un réseau étendu

d’équipes françaises et étrangère et a bénéficié du soutien d’un projet ARCUS (2006-2008, financement

MAEE/Région), d’un projet ECO-NET (2007-2008, MAEE), du projet européen TOTECAT (2006-2010) et du GdR

3161 « Propulsion par plasma dans l’espace » (2008-2012). Deux partenariats internationaux (PHC Barande avec

la République Tchèque et Brancusi avec la Roumanie) sont en cours (2013-2014). Une thèse a été soutenue en

2010 (cotutelle France-Roumanie, dans le cadre du projet ARCUS) et une autre sera soutenue le 11/07/2013

(bourse Lille 1). Au niveau scientifique, cette thématique s’est développée suivant trois directions :

* étude fondamentale de la dynamique spatio-temporelle des plasmas générés par ablation laser à haute

intensité ;

* étude par ablation laser de l’érosion des parois d’un propulseur spatial à effet Hall ;



janvier 2013

109

* optimisation du dépôt par ablation laser de couches minces.

Des techniques optiques (imagerie rapide par camera CCD intensifiée, spectroscopie d’émission et

d’absorption) et électriques (sondes Langmuir, spectrométrie de masse) ont été développées pour la

caractérisation du plasma. D’autres techniques spécifiques, disponibles au laboratoire ou dans les équipes

partenaires ont également été utilisées pour la caractérisation des couches minces déposées ou des effets

induits par le laser sur la cible : spectrométrie Raman, diffraction de rayons X, ellipsométrie, EDX, profilométrie

mécanique et optique, TOF-SIMS etc.

La première direction vise une meilleure compréhension de l’interaction de la matière avec des

impulsions laser de haute intensité, problématique très complexe impliquant les propriétés optiques et

thermodynamiques de l’échantillon solide, les transitions de phase, l’expansion de la phase gaz et son

interaction avec le faisceau laser, les interactions électriques entre les constituants du plasma créé etc. L’étude

systématique que nous avons menée dans différents régimes temporels (ns, ps, fs) et sur différents matériaux,

des plus simples (métaux) aux plus complexes (céramiques, composites magnéto-électriques) nous a permis de

développer un nouveau modèle [GUR08], [NIC09], [NIC10], [NIC12] expliquant notamment l’origine des

oscillations observées pour la première fois par notre équipe et confirmées depuis par d’autres groupes.

L’article publié dans Phys. Rev. E en 2008 a été sélectionné pour publication dans le Virtual Journal of Ultrafast

Science. Ces travaux ont été menés en collaboration avec des collègues des Universités « Alexandru Ioan Cuza »

et « Gheorghe Asachi » de Iasi, Roumanie.

Ces travaux ont attiré l’attention des membres du GdR « Propulsion par Plasma dans l’Espace »,

intéressés par l’étude de l’érosion des céramiques présentes dans les moteurs à effet Hall utilisés pour la

propulsion de satellites. Plusieurs campagnes d’expériences communes (PhLAM, ICARE, GREMI, CEMHTI Orléans,

LPGP Orsay, SNECMA) ont été effectuées au laboratoire [FOC08], [URS10] et sur le moyen national d’essai

PIVOINE 2G (ICARE Orléans) [BAL12], [BAL13]. Nous avons notamment mis au point une technique de calibration

de l’érosion des parois céramiques qui pourra être utilisée pour le suivi en vol des moteurs à effet Hall.

Enfin, la troisième direction d’étude est orientée vers l’optimisation du processus PLD (Pulsed Laser

Deposition) pour la croissance de couches minces de matériaux d’intérêt technologique, comme les

chalcogénures (DVD réinscriptibles, mémoires à changement de phase) ou les ferromagnétiques (capteurs). Cette

direction est développée en collaboration avec des équipes de l’Université de Rennes 1 (V. Nazabal), l’Université

de Pardubice (République Tchèque, P. Nemec) et l’Université « Alexandru Ioan Cuza » de Iasi, Roumanie (S.

Gurlui, O. Caltun). Une étude systématique sur l’influence des différents paramètres entrant en jeu (longueur

d’onde, durée de l’impulsion et fluence du laser d’ablation, pression de travail, distance cible-substrat etc.) sur

les propriétés des couches minces déposées a permis de dégager des résultats très encourageants pour

l’optimisation du processus PLD [FOC09], [CIM10], [POM13], [DAS13a], [DAS13b]. Une thèse (G. Pompilian) a été

soutenue en juillet 2013.

2.5.5- Spectroscopie & chimie quantique

Structure moléculaire. Une activité historique qui se poursuit est la détermination précise de la structure

d’équilibre de molécules, en combinant calculs de chimie quantique et spectroscopie de laboratoire. Les

nombreux résultats obtenus par l’équipe ces dernières années (37 publications entre 2008 et 2013) ont été

valorisés dans un livre paru en 2010 : « Equilibrium Molecular Structures: From Spectroscopy to Quantum

Chemistry », rédigé et édité par Jean Demaison, James E. Boggs et Attila G. Csaszar. Jean Demaison a reçu en

2008 le prix International Dr. Barbara Mez-Starck pour l’ensemble de ses travaux portant sur ce thème. Par

ailleurs la spectroscopie micro-onde d'échantillons refroidis par détente adiabatique, couplé à des calculs de

chimie quantique, est une méthode de choix donnant accès à la structure mais aussi au paysage conformationel

d'édifices moléculaire complexes. Ce type d'analyse appliquée à des molécules semi-rigides telles que l'éthyle

carbamate a permis l'identification non-ambiguë des structures les plus stables, mettant par exemple en

évidence la stabilisation d'une structure inattendue sous l'influence d'une liaison hydrogène intramoléculaire

[GOU09]. Aussi la modification de la dynamique de torsion d'une liaison impliquant un élément lourd a été mise

en évidence pour l'éthyle tellurol [MOT10a], le vinyle tellurol [MOT10b] et l'éthyle mercurol [GOU12], via

l’analyse de leur signature millimétrique. Enfin la spectroscopie microonde est un outil utilisé pour caractériser

des molécules prototypes, comme les complexes de Rhénium, dans le cadre de la mise en évidence



janvier 2013

110

expérimentale de la non-conservation de la parité dans les systèmes moléculaire, actuellement tentée au LPL

dans le cadre de l’ANR NCPCHEM (UMR7177, UMR6226, LPL, LADIR, PhLAM) ([DAR10], [STO11]).

Molécules diatomiques dans les environnements froids. Cette activité de recherche porte sur la

modélisation et la détermination de la structure électronique (courbes d 'énergie potentielle, moments de

transition, polarisabilités moléculaires statiques, couplages) de molécules diatomiques neutres et ioniques pour

les environnements froids et l'astrophysique et comprend deux thématiques. La première, réalisée en

collaboration avec des groupes nationaux et internationaux d’expérimentateurs et de théoriciens (M. Aubert -

Frécon & A.J. Ross (LASIM, Lyon), A.M. Lyyra (Temple University, Philadelphie), Li Li (Tingshua University,

Chine), V.N. Sovkov (U. St Pétersbourg Russie), concerne la spectroscopie des états très excités des dimères

alcalins se dissociant vers et au-dessus de l'asymptote doublement excitée np+np. A partir des programmes que

nous avons développés, nous déterminons les courbes d’énergie potentielle de nombreux états moléculaires

(~100 états) sur un large domaine de distances internucléaires (4a0-100a0), les moments de transition et les

polarisabilités moléculaires statiques. Des études de faisabilité d’expérience sont ensuite réalisées. Sur la

période 2008-2013, ces études ont été effectuées sur les premiers états excités de quelques dimères alcalins et

nous avons obtenus des résultats très satisfaisants sur les molécules (Li2 [Xie08b], Cs2 ([Xie08a], [Xie09]),

[SOV13]). Dans le cas de la molécule K2, nous avons recalculé les courbes d’énergie potentielle en tenant

compte du couplage spin-orbite pour tous les états se dissociant vers 4p3/2+4p3/2 (A Jraij et al. 2009), en vue

d’interpréter la réaction de transfert d’énergie entre deux atomes de potassium K(4s)+K(8s) ->K(4s)+K(4f)

(collaboration avec le groupe expérimental de M. Glodz, Académie des Sciences de Varsovie). Malheureusement,

nous n’avons pas pu décrire en couplage spin orbite les asymptotes 4s+8s et 4s+4f mais les sections efficaces ont

pu être déterminées à partir de nos premières prédictions (Magnier et al. 2004) dans le cadre d’une dynamique

moléculaire semi-classique. Un accord satisfaisant a été obtenu entre la théorie et l’expérience. Parallèlement

aux dimères, des études sont menées également sur les ions moléculaires alcalins par les méthodes de

pseudopotentiel ou de potentiel modèle incluant désormais le couplage spin-orbite ([JRA08] pour K2+ et Rb2

+,

actuellement en cours pour la description de la molécule Rb2). Depuis peu, en collaboration avec M. Lyyra,

l'étude de la molécule Rb2 a débuté avec pour objectif d'étudier non seulement la spectroscopie des états très

excités mais aussi celui de proposer de nouveaux scénarii pour former des molécules froides. Dans ce cadre,

nous avons choisi d'utiliser la méthode de potentiel modèle et d'y introduire les effets liés au spin électronique

et nucléaire (partie de la thèse de J. El Romh) en vue avec P. Cacciani et J. Cosléou d'observer durant le

prochain quadriennal, la conversion de spin nucléaire dans Rb2.

La seconde thématique concerne la description des alcalin-gaz rares et des composés d’hydrogène. Ces

travaux sont réalisés dans le cadre deux ANRS blancs obtenues en janvier 2009 (sans le PhLAM), DYNHELIUM et

LASSA. Les résultats pour LASSA ont été présenté dans la section 2 (Etudes d’intérêt astrophysique). DYNHELIUM

a pour finalité l'étude de processus de dynamique moléculaire dans des nanogouttes d'hélium. Les données

disponibles dans la littérature ne sont pas suffisamment précises et ne tiennent pas compte de l'interaction spin-

orbite. Aussi, les courbes d’énergie potentielle avec et sans couplage spin orbite et les moments dipolaires ont

été déterminés pour les molécules LiHe, RbHe et NaHe (Doctorat d'A. Wallet) (KHe et CsHe seront traitées

ultérieurement). Ces molécules ont la particularité de présenter pour l’état fondamental un puits de potentiel à

grande distance dont la profondeur est du même ordre de grandeur de la précision numérique des calculs. De

plus, il existe très peu de données théoriques et expérimentales, celles-ci portant essentiellement sur LiHe, ce

qui ne permet pas d’apprécier la qualité des calculs notamment pour RbHe et à terme pour CsHe. Les principales

difficultés de ce travail sont la description du gaz rare et l’introduction du couplage spin orbite. Les calculs ont

été effectués dans le cadre de la méthode potentiel modèle Les résultats obtenus pour l’état fondamental sont

encourageants. A titre d'exemple, nous avons obtenu un puits de potentiel de 2,6cm -1 à 11.6a0 en accord avec

les calculs multiconfigurations (RCCSD(T)) de Murrell et al. (2002) (Re=11.57a0, De=1.49cm-1) pour LiHe et dans le

cas de NaHe, un puits de 1.50cm-1 à 11.8 a0 en bon accord avec les calculs grandes distances de Cerkov et al.

(1994) (1.34cm-1 à 12.16 a0). Les résultats sont actuellement en fin de rédaction.

2.5.6- Prospective

Les études d’intérêt astrophysique. L’équipe sera engagée dans le projet « IMOLABS » qui vient d’être

retenu par l’ANR en 2013 (M. Gérin-LERMA, J.-C. Guillemin, Rennes ; LM-PhLAM). Le but de ce projet est de

développer conjointement de nouvelles techniques de spectroscopie moléculaire en laboratoire, combinées avec

les progrès dans la synthèse de molécules complexes, qui devraient contribuer à la richesse d’espèces non



janvier 2013

111

identifiées dans les spectres astronomiques. Les espèces choisies doivent fournir des informations intéressantes

sur les voies de formation de molécules interstellaires, dont les spectres de rotation précis manquent à ce jour.

Une partie importante du projet est consacrée au développement instrumental, par le LERMA, d’une part d’une

source solide qui atteindra 2 THz et d’autre part d'un système de détection hétérodyne sur le spectromètre pour

améliorer la sensibilité et la bande passante instantanée de la détection spectrale. La caractérisation de ces

systèmes sera effectuée avec notre équipe lors d’études spectroscopiques. Ceci permettra à notre spectromètre

de couvrir la gamme HERSCHEL. L’autre partie consiste à mesurer et analyser des spectres de molécules

instables : nitriles, radicaux, ions. Les études seront effectuées à Lille en étroite collaboration avec l’ENSCR.

L'élaboration de méthodes de synthèse sera réalisée à Rennes. Mais ensuite les molécules ou leurs précurseurs

devront être produits in-situ.

Le projet HELo « Les Hydrocarbures dans l’Environnement Lointain » s’inscrit dans la poursuite de la

collaboration établie avec O. Pirali (ISMO/SOLEIL) sur l’étude du naphtalène [PIR13]. Il a pour objectif l'analyse

spectroscopique de molécules carbonées complexes d’intérêt astrophysique telles que des PAHs, n-phényles,

diamandoïdes et leurs dérivés azotés. Du point de vue physico-chimique, la connaissance très précise des

structures moléculaires donne accès aux propriétés thermochimiques de cette importante famille de molécules

(environ 2/3 des molécules connues à ce jour sont aromatiques ou partiellement aromatiques). Du point de vue

astrophysique, Les analyses spectrales fournissent des données utiles à de nouvelles détections. L'observation en

phase gazeuse de ces composés à très faible tension de vapeur et la modélisation de leurs spectres à la structure

très complexe nécessitent l'utilisation de dispositifs expérimentaux performants et le soutien de calculs

théoriques de haut niveau. Les premières molécules étudiées dans le domaine micro-onde seront un aza-PAH

(1,6-naphthyridine) et trois bi-phényles azotés (2-, 3- et 4-phenylpyridine). Les spectres seront très

probablement compliqués par la double présence d’une structure hyperfine (atome(s) d’azote) et d’un

dédoublement des raies par effet tunnel (rotation interne). Cependant, fort de notre expérience dans ce

domaine et avec le soutien de calculs ab initio suivant la démarche appliquée pour le naphthalène, leur analyse

sera possible. Les résultats ainsi obtenus serviront alors de base à l’analyse des spectres infrarouges enregistrés

à SOLEIL. Ces données complémentaires pourront ainsi servir de références à la calibration/validation des

modèles théoriques. Dans un second temps, il s’agira d’obtenir pour la première fo is le spectre de rotation pure

de PAHs et diamandoïdes ionisés. Les deux systèmes de choix seront le naphthalène protoné et le cation de

l’adamantane. Le premier a récemment été observé par IRMPD (infrared multiphoton dissociation) mais le

spectre enregistré à basse résolution n’a pu être analysé (J. Lorenz et al, Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46,

6714). Dans un tel cas, l’apport de résultats micro-ondes s’avère essentiel. Pour cela, il faudra mettre en place

un système de production d’ions et radicaux, basé sur une décharge à haute-tension, couplé au spectromètre à

impulsions micro-ondes. La très grande sensibilité de ce dernier devrait permettre l’observation de telles

espèces. Comme dans le cas des espèces stables, les résultats obtenus rendront possible l ’analyse des spectres

infrarouges et la calibration des modèles théoriques.

Par ailleurs il est prévu de poursuivre le projet sur « la caractérisation de radicaux et d’ions

potentiellement interstellaires ». En particulier, des mesures du spectre rotationnel de l’ion NO+ (y compris

dans des états de vibration excités) sont en cours au PhLAM et concernent aussi 15NO+. Un projet visant à

étendre la connaissance du spectre de cet ion fondamental (détecté dans la haute atmosphère terrestre mais

pas encore dans le milieu interstellaire, contrairement au radical NO) vient d’être accepté pour des mesures

jusque 3 THz sur la ligne Ailes du synchrotron Soleil, en collaboration avec O. Pirali (10/2013). L’analogue soufré

de NO+, NS+, présente aussi un fort intérêt du point de vue astrochimie et les études correspondantes sont

projetées.

La problématique de « la conversion de spin nucléaire » est présente – au niveau international - dans le

domaine astrophysique pour la modélisation des observations de rapport isomériques correspondant à des

températures spécifiques (Tspin). Cette problématique intéresse aussi les observations de molécules à basse

température dans des jets moléculaires où les populations observées supposent ou non la conservation ou la non-

conservation du spin nucléaire durant la phase de refroidissement (Groupes de M.Quack, O .Votava). Des temps

de conversion ont été mesurés pour H2O, CH4 en matrice de gaz rares en présence ou non d'oxygène, par des

méthodes où une trempe rapide permet d'obtenir assez aisément le déséquilibre des populations isomériques

nécessaire à ce type de mesure (X.Michaut, Paris, Yamada, Japon). Sur le plan de la spectroscopie, nous sommes

en contact le groupe de S. Yurchenko, qui calcule le spectre de molécules simples d'intérêt astrophysique dans

le but de simuler leur absorbance jusqu'à 1500K (objets chauds). La confrontation de nos données



janvier 2013

112

expérimentales à ces calculs est riche dans les deux sens : validation et amélioration des surfaces de potentiel

pour les uns, guide précieux pour les identifications des transitions moléculaires pour les autres.

Les études d’intérêt environnemental. Ces études s’inscrivent majoritairement dans le cadre du Labex

CaPPA (2012-2019) ; L’équipe « Spectroscopie et Applications » contribue aux Work Packages WP-1, WP-2 et WP-

5.

WP-1. From gas phase to aerosols: biogenic VOCs as precursor for particles (Laboratories: DCE, LPCA,

PC2A, PhLAM). The ambition of this work package is to increase the knowledge of the impact of biogenic VOCs

and its degradation products on the global climate through an improved understanding of their degradation

mechanisms under different conditions. To achieve this goal, different approaches such as: (i) fundamental

theoretical calculation, (ii) spectroscopic studies of reactive intermediates, (iii) laboratory studies of

elementary processes, (iv) complex mechanisms of secondary aerosol formation and evolution, (v) development

of innovative optical sensors for laboratory and field studies, (vi) organization of and participation in complex

field campaigns (i.e. CHARMEX) will be put together.

WP-2. Aerosol microphysical, chemical and optical properties from fundamental heterogeneous processes

to remote sensing (Laboratories: LASIR, LOA, LPCA, PC2A, PhLAM). The main objective of this WP is

understanding of the joint effects of particles heterogeneous reactivity and aging on atmospheric aerosol optical

properties in general and measurable by remote sensing techniques in particular. A three steps approach will be

applied for implementation:

• Elementary heterogeneous processes (mass transfer, surface reactivity and morphology, kinetics…) that

occur on aerosol particles with atmospheric oxidant (mainly radicals) will be investigated within dedicated

reactors. Special care will be focussed on water uptake and hygroscopic feature of aging particles. These studies

will benefit of results coming from theoretical simulations realised on identical chemical system investigated by

the experimental way (sea-salt, soot, mineral, ice or water surfaces).

• Optical properties (aerosol refractive index, single scattering albedo) for selected and fully -

characterised particles will be derived in varying relevant atmospheric conditions. Laboratory measurements

firstly done for model systems (unique aerosol chemical component and monodisperse particles) will then be

applied to more complex situation and representative of atmospheric particles (internal or external mixture,

with or without organic coating, polydisperse particles). Measurements done with atmospheric sample materials,

e.g. Saharan dust, are also planned in order to establish link between model and real aerosols. State of the art



janvier 2013

113

experimental set-up will be applied (e.g. CRDS, LII, LIF, THz spectrometers); measurements will be done in large

spectral region and specially focusing on optical instruments used for atmospheric remote sensing.

• Relationship between remotely sensed optical properties and the physico-chemistry of various aerosol

components will be established. First, the new developments will focus on simulations of spectral extinction,

absorption, and full scattering matrix of particles with controlled size, complex refractive index and mixing

state. It will be achieved by creation a numerical tool for calculation the electromagnetic scattering by

ensemble of particles with different composition and morphology. Second, the assumed microphysical processes

will be validated by laboratory studies and by simulations of molecular dynamic.

WP-5. Contributions to Aerosol and cloud interactions (Laboratories: LOA, PC2A, PhLAM). WP-5 will be

devoted to the study of the first and second aerosol indirect effects. For both effects, the methodology will be

based on a three axis approach involving experimental study, meso-scale modelling and observation of clouds.

- First aerosol indirect effect: This part of the project aims to make the link between the physico-

chemical and morphological properties of aerosols (mainly soot particles and bio-aerosols), the optical

properties of induced ice crystals or liquid water droplets, and finally the calculation of additional radiative

cloud forcing in the shortwave and in the longwave by accounting for microphysical and macrophysical

properties of observed clouds from regional to large scale. The study is related to the formation of ice clouds

induced by aircraft traffic and the formation/enhancement of liquid or mixed clouds due to the emission of

aerosols, in particular natural bio aerosol. Ice particles or water droplets will be generated thanks to optical

reactors able to trig the nucleation induced by aerosols at short time scale (dynamic of ice/droplet formation)

and long time scale (growth parameters). A significant amount of laboratory work will be undertaken to

characterize these nucleation processes using specific techniques and methodology developed in WP2.

- Second aerosol indirect effect: The objective of this part is to establish the mechanisms by which

precipitation can be inhibited or enhanced: (i) what kind of aerosols contributes to significantly modify the

physical characteristics of clouds? (ii) Do maritime particles impact precipitation differently than continental

aerosols? Indeed, it is known that continental convective and maritime precipitations differ dynamically and

electrically [Zipser et al, 2006; Christian et al, 2003]. (iii) How precipitations dissolve aerosols and thus “wash”

the atmosphere? At the present, it is assumed that aerosols are totally dissolved in hydrometeors, so that their

concentration is zero after a precipitation event. This question needs to be addressed more deeply: What is the

aerosol concentration along the atmospheric column after a precipitating event?

Développement d'outils de diagnostic d'intérêt biologique on-line et in vivo par désorption laser. Un projet

de collaboration initié en 2012 avec le laboratoire de Spectrométrie de Masse Biologique, Fondamentale &

Appliquée (FABMS, EA 4550) de Lille 1 a pour objectif la réalisation d’un dispositif permettant l’analyse directe

de marqueurs du cancer. L’objectif à plus long terme est de créer un système utilisable chez l’homme dans le

cadre clinique et plus particulièrement pour le diagnostic en temps réel. Ce projet bénéficie d’une allocation de

thèse président (2012-2015) au titre du soutien au projet interdisciplinaire. Le principe repose sur la désorption

laser nano (ou pico) seconde de tissus biologiques. Les espèces neutres éjectées lors de l'irradiation sont

capturées dans des microgouttes de solvant. Le transfert par capillarité de ces microgouttes dans un analyseur

sous vide de type Electrospray-Spectrométrie de Masse assure la détection et l’identification des composés

piégés. Des tests préliminaires extrêmement encourageants ont mis en évidence la possibilité d’obtenir de

manière reproductible ou d’identifier sans ambiguïté des signaux de lipides, peptides et protéines présents tant

dans des échantillons étalons que dans des tissus. Une déclaration d’invention a été déposée en 2013. Un article

est également en cours de rédaction.

Mesure du rapport me/mp. L’objectif est le développement d’une nouvelle expérience pour mesurer la

stabilité temporelle du rapport entre la masse de l’électron et celle du proton en utilisant les transitions de

l’acétylène à 1.5 µm. En outre de l’intérêt en physique fondamentale, cette démarche s’appuie sur un savoir-

faire en spectroscopie moléculaire et instrumentation pour répondre à des enjeux en métrologie des fréquences

et télécoms. L’étalon secondaire de fréquence dans ce domaine spectral repose sur la transition P(16) de 13C2H2

interrogée par absorption saturée dans une cavité avec une technique Pound-Drever-Hall. La stabilité

fractionnelle en fréquence est de ~10-12 -1/2 et la reproductibilité <1 kHz. Le dispositif expérimental

envisagé consiste en deux systèmes laser asservis sur les transitions identifiées pour le test de la variation de µ.

On disposera alors de deux références de fréquence à 1,5 µm avec des performances métrologiques attendues au



janvier 2013

114

même niveau que celle de l’étalon de fréquence. La comparaison de ces références permet d’envisager un test

de la stabilité fractionnelle de µ au niveau de ~10 -15 -1/2.

Rayonnement et attractivité académiques

Réseaux. L’équipe a été/est membre du LEA HighRes-12/09, du GDRI HighResMIR, des GDR SPECMO, SUIE, THZ.

L’équipe est membre du Labex CaPPA (Chemical and Physical Properties of the Atmosphere, http://labex-

cappa.univ-lille1.fr/) depuis 2012.

Prix. Jean Demaison a reçu en 2008 le prix International Dr. Barbara Mez-Starck. F. Rohart a été chercheur

invité à Naples en juillet 2010.

Attractivité nationale et internationale. Entre janvier 2008 et juin 2013, l’équipe a accueilli 8

chercheurs/professeurs invités (E. Alekseev, S. Gurlui, H. Ozeki, V. Ilyushin, M. Agop, P. Nica, S. Gurlui, P.

Ayotte)

Organisation de manifestations scientifiques. Colloque PAMO-JSM (2008) ; Co-responsable de l'organisation des

Premières Journées Franco-libanaises (18-22 octobre 2011, Lille) sur le thème de la Physique et ses interfaces

(SM) ; Colloque inaugural du GDRI HighResMIR (09/12) (TH)

Expertises. Déléguée Scientifique à l'AERES - section 3- Formations et Diplômes et section 2- Recherche (SM) ;

expertises AERES (TH, SM, GW) ; Membre nommé du CoNRS (TH 2008-2012) ; Membre élu du CNU 30è section (SB

depuis 10/2008, BC 01/11-09/12) ; Membre nommé du CNU 30è section (CF depuis 10/2012) ; Membre élu au conseil

scientifique de l'Université (PD et GW 2008-2012, CF 2012-2016) ; Membre du comité de sélection du programme

"Chaires d'Excellence" de l'ANR en 2012 (GW) ; Expertises scientifiques pour l'ANR (Programme Blanc) (CF, TH, FR,

GW), le FNRS (GW), la NSF (GW), l’Agence nationale de la Recherche Scientifique de Roumanie (CF), la BSF (CF), le

Conseil Régional d’Aquitaine (BC), la région Champagne-Ardennes (TH), l’IPEV (BC) ; Membre de la commission

nationale d'évaluation des dossiers en vue l'obtention de la PES, section 30 (GW 2010-2011) ; Participation à des jurys

de recrutement de personnels ITA (CNRS) et BIATOSS (Université de Lille 1) (GW) ; Membre de comités de sélection en

vue de recrutements de MCF et de PR à Lille 1 et au niveau national (BC, TH, SM, GW) ; Participation à 41 jurys de

thèses et à 17 jurys de HDR (BC, PC, JC, CF, TH, FR, GW) hors étudiants encadrés.

Comités scientifiques. Membre du comité scientifique du GDR Specmo (TH) ; Membre du Comité Scientifique

International du Colloque High Resolution Molecular Spectroscopy (TH depuis 2009) ; représentante du PhLAM au

Comité de Pilotage du Labex CaPPA (TH) ; co-responsable du Work Package 1 du Labex CaPPA (TH) ; Secrétaire

Générale de la Société Française de Physique (SM 2007-2010) ; Membre du comité scientifique du Congrès Général de

la S.F.P. (6-10 juillet 2009, Ecole Polytechnique – Palaiseau, SM) ; membre du comité scientifique JSM (Journées de

spectroscopie moléculaire) (PC) ; Membre du comité scientifique du GDR « Propulsion par plasma dans l’espace »

2007-2012 (CF), Membre du Comité Scientifique de l’Atmospheric Soot Network depuis 2006 (CF)

Contrats institutionnels sur fonds public. Voir annexe 6.

Interactions avec l’environnement social, économique et culturel

Participation à la diffusion de la culture scientifique. Membre à plusieurs reprises du comité régional des

Olympiades de Physique (GW) ; Organisation des joutes Magiphy (lycéens et collégiens) (PC, GW jusqu’en 2012) ;

Participation aux actions de diffusion de la science par Physifolies (GW) ; Participation au programme européen

MEYPS SC2 (Mobility in Europe of Young People and Scientists in Scientific Culture Context), coordonné par N.

Lebrun (Lille 1) (GW) ; Membre du comité d'organisation du cycle de conférence "L'espace", dans le cadre des

Rendez-vous d'Archimède, en collaboration avec l'Espace Culture de l'Université (dans le cadre de AMA09, Année

mondiale de l'astronomie) ; Membre du conseil scientifique de l'exposition "Croque couleurs", destinée aux 3-6

ans, organisée par le Forum Départemental des Sciences à partir de Décembre 2013 (GW), Participation à

l'évènement "science à l'hosto" (animation de stand, intervention en chambre), CH Roubaix, 2 -7 décembre 2008

(PC, MG) ; Responsable pour la physique de l'aide aux TPE (travaux personnels encadrés faisant partie du

programme de 1ère S), depuis 2011 (MG) ; Participation et co-organisation du stage des élèves de 2nde durant la

semaine du bac, depuis 2011 (MG) ; Participation au salon de l'étudiant (stand physique de Lille 1), janvier 2012

et 2013 (MG) ; Fête de la Science (périodicité annuelle en octobre), LaserWeek -50 ans du laser-, 2009

ASTROPHYZ à l'occasion de l'année Mondiale de l'Astronomie. Une exposition sous un chapiteau de 600 m2 sur la

Place de la République à Lille à destination du grand public et des scolaires. 4 jours et 2 nocturnes pour une

http://labex-cappa.univ-lille1.fr/

http://labex-cappa.univ-lille1.fr/



janvier 2013

115

audience totale de 8000 personnes, 2012 fête de la Science, Lille 3000 : animation dans le Pavillon des énergies

du futur (4 week-ends) (PC, JC) ; Concours Faites de la Science 2012 (PC) ; 2012 « Fête de la science » - École

maternelle (SM) ; chargé de mission comme directeur scientifique de l'Expérimentarium, espace de valorisation

de la recherche menée par les chercheurs de l'université Lille 1 et leurs partenaires (JC) ; membre du comité de

rédaction des Images de la Physique (Edition CNRS) jusqu'en 2012 (PC)

3. Implication de l’unité dans la formation par la recherche

Doctorat

Les activités du laboratoire relèvent de l'école doctorale Sciences de la Matière, du rayonnement et de

l'Environnement (ED 104 SMRE). C. Demuynck (PhLAM) en a assuré la direction jusqu'en 2010. F. Rohart jusqu'en

2010 puis M. Taki ont assuré la direction des études doctorales au sein de l'ED SMRE pour le secteur dont relève

le PhLAM et à ce titre ont fait partie du conseil de l'école doctorale.

Une trentaine de doctorants sont en moyenne présents au sein du PhLAM et bénéficient d'un encadrement

de qualité. Les doctorants sont suivis par le directeur des études doctorales. A mi parcours ils exposent l'état

d'avancement de leur travaux devant l'ensemble du laboratoire au cours d'une journée (ou demi-journée) des

doctorants. En début de troisième année de thèse un entretien individuel avec le directeur de thèse, le

directeur des études doctorales et le directeur du laboratoire est organisé pour anticiper l'orientation en fin de

thèse et repérer les problèmes éventuels liés à la rédaction ou à l'état d'avancement des travaux. Ce su ivi

permet de minimiser les abandons en cours de thèse et de sensibiliser les doctorants au sujet de la durée de la

thèse, qui ne devrait pas excéder 3 années. Sur ce point une amélioration a été constatée par rapport au

précédent contrat: la durée moyenne des thèses au PhLAM est de 40,8 mois contre 42 mois précédemment. A

l'exception de deux thèses "anormalement" longues, la durée des thèses a été comprise entre 3 et 4 ans, avec

plus de la moitié des thèses soutenues en 3 années (si l'on ne tient pas compte de ces deux thèses anormalement

longues, la durée moyenne des thèses tombe à 39,6 mois). Il faut mentionner que pour certaines thèses en

cotutelle, les pays partenaires imposent parfois une durée de 4 ans. La liste des thèses soutenues et des thèses

en cours est donnée en Annexe 7.

Dans le cadre des LabEx CaPPA et CEMPI, un programme de bourses pour étudiants en Master 2 a été mis

en place à partir de 2013 pour attirer de très bons étudiants, notamment venant de l'extérieur, en vue d'une

poursuite en thèse au sein du PhLAM.

Lors de la période 2008-2013 le nombre de post-doctorants ayant séjourné au PhLAM a sensiblement

augmenté, grâce au financement de projets par l'ANR et via le projet CPER CIA.

Une action transversale est à signaler, la participation au pilotage du module Transmission des

Connaissances Scientifiques, à destination des doctorants de D. Hennequin.

Master

Les membres du laboratoire sont fortement impliqués au niveau de la formation au sein des Masters gérés

par l'UFR de Physique: Master de Physique spécialités Lumière-Matière et Physique Biologique et Médicale,

Master professionnel Lasers et Applications. Ils interviennent aussi en Master de Physique spécialité Matériaux,

au niveau du Master Ingénierie mathématique spécialité Calcul Scientifique, du master MINT (Microélectronique,

Nanotechnologies, Télecoms), du cycle Master de l'école d'ingénieurs Telecom Lille 1, du Master Génie des

Systèmes Industriels et du Master 2 Veille Stratégique, Intelligence et Innovation (ces deux dernières formations

étant à finalité professionnelle). Ils sont intervenus aussi de manière importante dans l'élaboration des nouvelles

maquettes d'enseignement pour le futur contrat.

D. Derozier est le responsable du Master de Physique depuis 2009 et est porteur de la maquette de ce

Master pour le prochain contrat. Il a assuré jusqu'en 2012 la responsabilité du Master professionnel Lasers et

Applications, charge reprise depuis par C. Szwaj. Th. Huet assure la Direction des Etudes de la spécialité

Lumière-Matière du Master de Physique et participe à la mise en place du parcours de Master 2 International

« Atmospheric Environment », dans le cadre du plan de formation du Labex CaPPA, dans lequel C. Focsa et M.



janvier 2013

116

Monnerville interviendront au niveau de la formation. G. Bouwmans assure depuis 2012 la responsabilité du

Master 2 « Veille Stratégique Intelligence et Innovation » et G. Martinelli est chef du département de physique

et physique appliquée à Télécom Lille 1 depuis cette année.

International

Au niveau international plusieurs actions ont été entreprises à l'initiative de membres du PhLAM:

Mise en place d'un double diplôme Lille1-Université Libanaise Master Physique Spécialité « Lumière-

Matière», d'un double diplôme Lille1-Université de Yaoundé1 Master Physique Spécialité « Matériaux » (D.

Derozier)

Participation au montage d'une spécialité du Master de Physique de l 'Université Libanaise de Beyrouth «

Lasers et Applications industrielles et Médicales » (D. Derozier); dans le cadre de ce projet, transfert (avec M.

Le Parquier) de 3 TP sur les lasers et formation de deux enseignantes aux TD et aux TP.

Echange d'étudiants en Master2R et en Doctorat entre Lille et la Belgique (ULB et VUB à Bruxelles, Ecole

Polytechnique à Mons, U-Gent à Gand) ; Organisation de cours communs à l'université de Lille et celles de

Belgique citées ci-dessus; Ecoles thématiques organisées annuellement dans le cadre du PAI (Pole d'Attraction

Interuniversitaire) (M. Taki)

Responsabilité des relations internationales au sein de l'UFR de Physique (C. Focsa) et à ce titre

développement de l'accueil d'étudiants étrangers.

Grâce à l'ANR internationale Franco-chilienne "COLORS" coordonnée par E. Louvergneaux, des échanges

suivis d'étudiants en master recherche et en thèse s'effectuent entre le PhLAM et celle l'Université de Santiago

(Chili).

Accueil régulier d'étudiants stagiaires de master 1 ou master 2 et de doctorants, venant d'autres

universités françaises (ou d'écoles d'ingénieurs) et d'universités étrangères (L iban, Maroc, Algérie, Belgique,

Mexique, Roumanie, Ukraine, Argentine, Chine, Canada,...)

Co-organisation annuelle d'une école prédoctorale aux Houches, dans le domaine de la physique atomique

(P. Verkerk) destinée aux doctorants de toutes nationalités; la session 2013 est consacrée à la manipulation des

gaz quantiques dégénérés et P.Verkerk y a donné 4 cours.

Organisation et Chairman (C. Focsa) de l'Ecole d’été "Physics and Chemistry of the Atmosphere: from

laboratory experiments to fields campaigns", Constanta, Roumanie, 10-16 July 2008 (100 participants, dans le

cadre d’ARCUS PHYCAFOR)

Participation à plusieurs réseaux européens, ayant pour but la formation doctorale et post-doctorale au

sein de plusieurs laboratoires : réseaux Marie Curie RTN Molecular Universe (2004-2008) et QUASAAR

(Quantitative Spectroscopy for Atmospherical and Astrophysical Research, 2005-2009) qui ont financé deux

thèses en cotutelle et un post-doctorant, Marie Curie EST TOTECAT (Tools and Techniques for a Changing

Atmosphere), qui a financé deux thèses (A. Faccinetto + A. Oancea) + un stage pré-doctoral de 6 mois (G.

Pompilian), projet ARCUS PHYCAFOR (Physics and Chemistry of the Atmosphere: Formation by Research,

FR/RO/CZ/HU), qui s'est terminé officiellement au 31/12/2008, et qui a assuré le financement de la thèse de C.

Ursu jusqu'en 2010.

Porteur du projet ARCUS accepté dans le cadre du 7e appel à projet 2012 (Actions en Régions de

Coopération Universitaire et Scientifique)– « Environnement, Énergie et Développement Durable, E2D2» (pays

partenaires : Liban, Maroc et Palestine, Universités partenaires : Université Lille 1, Université de Valenciennes

et du Hainaut-Cambrésis, Université du Littoral Côte d'Opale), responsables: S. Magnier et D. Derozier. Budget:

1,7 M€ sur la période 2013-2016. E2D2 est constitué de trois sous-projets directement rattachés aux thématiques

environnement, énergie et développement durable, intitulés « Ville, Aménagement et Développement Durable

du Territoire», « Modélisation et Infrastructures pour l'Environnement» et «Expertise et Traitement en

Environnement», auxquels sont rattachés un sous-projet lié à la mise en place d'une plateforme de calcul



janvier 2013

117

scientifique intensif et un sous-projet relatif au pilotage et à la valorisation. Les thématiques du projet

permettent de couvrir un large domaine de disciplines scientifiques et dans ce cadre, les projets de recherche et

de formation pluri- et inter-disciplinaires alliant les Sciences Humaines et Sociales et les Sciences dites Dures

seront développés. Chaque sous-projet fait appel aux compétences et à l'expertise acquises par les universités

françaises reconnues au niveau régional et national (CPER , Pôle d'excellence, Labex, Equipex, …). Les

interactions entre les différents sous-projets et les thèmes envisagés sont regroupées dans l'organigramme. Pour

l'ensemble des sous-projets, les actions à mener ont pour finalité le renforcement des collaborations existantes

et la création de nouvelles collaborations en enseignement et en recherche avec et entre les différents

partenaires, une participation plus conséquente dans la formation académique (nouveaux double-diplômes de

Master ou de Licence, Licences professionnelles, délocalisation de parcours d'enseignement de Master et/ou de

Licence dans la perspective de nouveaux double diplômes, création de parcours internationaux...), un

développement de la formation continue des jeunes enseignants et enseignants-chercheurs sur des thématiques

spécifiques (calcul intensif, instrumentation,...) en présentiel et en ligne, un accueil plus important d'étudiants

au niveau master, doctorat et post doctorat à parité entre les partenaires, voire au niveau Licence, la

valorisation des actions réalisées par l'organisation conjointe de manifestations scientifiques périodiques.

Cours donnés à l'étranger

Cours « Chimie Théorique pour les actinides », Summer Schools on Actinide Science (2009, 2011, 2013),

Karlsruhe, Allemagne (V. Vallet),

Cours Physique non linéaire, 2012, 2013, Oujda (M. Taki)

Cours "Dynamique des lasers" à l'université libanaise en 2011-2012,2010-2011 et 2009-2010 + cours en

visioconférence en 2012-2013 (D. Derozier)

Cours « Transient plasmas generated by high-fluence laser ablation: space- and time-resolved optical and

electrical characterization methods”, Summer School: « Plasma Diagnostics by Electrical Probes and Lasers »,

21-28 September 2011, Iasi, Romania (C. Focsa)

Cours « Laser Desorption Mass Spectrometry of Environmental Interest Samples and Processes”, Ecole

d’été "Physics and Chemistry of the Atmosphere: from laboratory exper iments to fields campaigns", Constanta,

Romania, 10-16 July 2008 (C. Focsa) +

Cours "Raman spectrometry: fundamentals and applications to environmental sciences", Ecole d’été

"Physics and Chemistry of the Atmosphere: from laboratory experiments to fields campaigns", Constanta,

Romania, 10-16 July 2008 (B. Chazallon )

Cours "Spectroscopie Raman", Ecole de granulométrie (Ecole des Mines de St-Etienne), 13-16 Mai 2008 (B.

Chazallon)

Ouvrages de référence

Des ouvrages destinés aux étudiants de Master ont été récemment publiés par des membres du PhLAM:

Les lasers par D. Hennequin, Véronique Zehnlé, Didier Dangoisse, Sciences Sup, Dunod , 2013 - 3ème

édition

Laser Dynamics par P. Glorieux et T. Erneux, Cambridge University Press, 2010

The Topology of Chaos /Alice in Stretch and Squeezeland par R. Gilmore et M. Lefranc, 2nd enlarged

edition, Wiley-VCH, Berlin, 2011.

http://www.dunod.com/auteur/veronique-zehnle

http://www.dunod.com/auteur/didier-dangoisse



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4. Stratégie et perspectives scientifiques pour le futur contrat

ANALYSE SWOT DU LABORATOIRE PhLAM

Forces Faiblesses

- Une recherche de haut niveau dans toutes ses thématiques, très bien évaluée, ayant mené à plusieurs faits marquants, et reconnue par les succès au Programme Investissements d'Avenir avec participation à deux LABEX (CEMPI, CaPPA) et deux Equipex (FLUX,REFIMEVE+).

- Participation à de nombreux réseaux et projets nationaux et internationaux (ANR, UE FP7, UE Next Gen, Interreg, Ecos-Nord, PAI, GIS GRIFON, GDR...).

- Des thématiques très diverses mais très complémentaires autour de l'interaction lumière-matière, avec de multiples interactions. Renouvellement constant des thèmes de recherche autour du socle de compétences, en interface avec de nombreuses autres disciplines (chimie, astrophysique, mathématiques, STIC, biologie, …) Continuum allant des aspects fondamentaux aux applications.

- Liens étroits avec l'innovation et l'industrie via les équipements de premier plan de la centrale de fabrication de fibres optiques, gérée par l'équipe de Photonique. Laboratoire commun avec Prysmian, premier fabricant mondial de fibres optiques, nombreuses collaborations industrielles.

- Sources de financement hors crédits récurrents Université et CNRS importantes (contrats ANR, CEA, Interreg, FP7, CPER, LABEX, EQUIPEX,...)

- Forte implication des membres du laboratoire dans des responsabilités ou instances, locales ou nationales (CA, CS, CEVU, CPER CIA, AERES, CoNRS, CNU,...) ainsi que dans les Masters concernés.

- Recrutements au CNRS importants sur le dernier quinquennat (3CR2+1DR2), démontrant un dynamisme et une attractivité en hausse.

- Un fonctionnement du laboratoire collégial et relativement harmonieux, avec des responsables d'équipe jeunes, garantissant une certaine stabilité.

- Un nombre de doctorants très insuffisant par rapport aux capacités d'accueil et d'encadrement du laboratoire.

- Un nombre de chercheurs CNRS en dessous de ce que l'on observe dans des laboratoires de niveau comparable ailleurs en France.

- Une durée moyenne de thèse aux alentours de 39-40 mois, qui dépasse la limite des trois ans.

- Vulnérabilité des financements aux fluctuations des crédits récurrents et d'obtention des contrats, qui nécessite une recherche permanente de financements et handicape la mise en place de projets ambitieux ou d'infrastructures d'envergure.

- Un nombre insuffisant d'ingénieurs et personnels techniques eu égard à la technicité de la recherche et aux infrastructures gérées.

Opportunités Menaces

- Le fait que la quasi-totalité des activités du laboratoire se répartissent en parts à peu près égales entre les LABEX CEMPI et LABEX CAPPA donne une grande force et cohésion au projet scientifique.

- Une situation géographique à proximité de grandes capitales européennes, mais avec un coût de la vie moindre, peut être un facteur d'attractivité.

- Développement d’un écosystème régional autour de la

- Un nombre insuffisant de promotions PR dans un avenir proche, ce qui peut entraîner le départ ou la démotivation de MCF HDR dynamiques et l'éclatement de thématiques très actives.

- Le risque qu’une restructuration trop rigide de l’Université ferait peser sur la cohésion d’un laboratoire fortement tourné vers une recherche interdisciplinaire, réalisée en collaboration avec un nombre important de laboratoires appartenant à



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photonique: un atout pour le futur projet CPER.

- Une centrale technologique « FiberTech » unique en France en cours de renforcement avec l’EQUIPEX FLUX.

plusieurs instituts.

- Gestion des contrats par l'Université qui n'est pas optimale pour l'utilisation des ressources, comparée au CNRS (HT/TTC, marchés parfois moins avantageux ou pratiques, procédures de mise en concurrence ou délais de commande).

- Manque de souplesse dans l'utilisation des crédits, notamment difficulté à financer le fonctionnement ou les services externes, par exemple pour la maintenance.

- L'évolution à la baisse des crédits récurrents hors contrats rend difficile le développement de nouvelles thématiques.

Structuration

La structuration scientifique du laboratoire en 5 groupes ou équipes de recherche (Dynamique non

linéaire des systèmes optiques et biologiques, Photonique, Physique des atomes refroidis par LASER, Physico-

chimie moléculaire théorique et Spectroscopie et applications) sera maintenue pour le prochain quinquennal.

Objectifs scientifiques

Les activités du laboratoire relèvent principalement de la recherche fondamentale avec une volonté

constante de développer des applications aux bénéfices de la société. Cet équilibre entre recherche

fondamentale et recherche appliquée a toujours été et restera une caractéristique du laboratoire avec

notamment un développement des liens avec le milieu industriel en mettant l'accent sur les entreprises

régionales. Le prochain quinquennat verra également la poursuite de la politique de soutien et de renforceme nts

projets de recherches situés aux interfaces.

Les objectifs scientifiques pour le prochain contrat sont en grande partie déjà cadrés dans les Labex

CEMPI et CaPPA et les Equipex FLUX et REFIMEVE+. Néanmoins, chaque groupe a conservé une marge de

manœuvre dans l’évolution de ses projets de recherche. Globalement, les objectifs scientifiques ont pour ligne

directrice de :

* Poursuivre le renforcement de nos activités à l'interface physique-biologie : les activités trouveront un

renforcement via un biologiste (DR CNRS émérite) à partir d'octobre 2013 ce qui devrait aussi apporter un

regard neuf sur certaines de nos approches mais aussi par une réflexion au sein du laboratoire pour structurer

ces activités avec les grandes actions dans la région notamment avec Egide premier pôle français de recherche

sur le Diabète.

* Poursuivre le développement de la valorisation et des relations industrielles, notamment au niveau de la

région Nord Pas de Calais. Les initiatives en cours portent non seulement sur la création de laboratoire commun

ou des laboratoires de recherches intégrés mais aussi sur le conventionnement (contrats, bourse CIFRE) des

actions et/ou la tenue d’ateliers de travail avec des industriels. Le recrutement d'un ingénieur valorisation en

2013 est un premier pas vers des collaborations accrues et d'autres recrutements de ce type doivent être

envisagés à moyen terme, afin de favoriser l’accès à nos plateformes instrumentales aux industriels.

* développer des projets sur les grands instruments: cet axe a produit quelques résultats marquants et devrait

être consolidé. Notre implication sur les lignes de Soleil devrait s'accroître au cours des prochaines années.

Notre participation à un projet d'envergure (LUNEX5) source X-UV de nouvelle génération est bien balisée et

cette direction de recherches devrait s'intensifier avec l'arrivée de financements substantiels.

* maintenir un niveau d'excellence pour l'ensemble des thématiques de recherche du laboratoire : la

recherche fondamentale est notre priorité et le développement de la valorisation ne se fera qu’en recherchant

d’autres sources de soutien auprès de la région, de la DRRT, du FUI ou encore auprès des industriels.



janvier 2013

120

* d’initier et de développer une ligne Pilote dans le cadre du futur contrat plan état région : cette action est

en cours auprès de la région et de la DRRT

* répondre aux enjeux sociétaux liés à l’environnement et à la photonique dans le cadre H2020 / Les Labex et

Equipex s’inscrivent déjà dans ce cadre ainsi que les actions en direction de la région et de la DRRT.

En plus des moyens indispensables fournis par le CNRS, l’Université Lille 1 et les projets PIA, le

laboratoire renforcera sa politique de soutien de projet via l’ANR, à travers les appels Blancs ou thématiques,

via les projets FUI en collaboration avec les industriels régionaux ou nationaux, via les projets européens ou

l’implication du laboratoire a pour l’instant été en retrait. Le soutien de la région Nord Pas de Calais et de la

Délégation Régionale à la Recherche et à la Technologie est sollicité pour le prochain quinquennat à travers

deux actions proposées dans le cadre d’un futur « Contrat Plan Etat Région » qui devrait débuter en 2014-2015.

La labellisation de ces deux actions permettrait au laboratoire d’être soutenu pendant 7 ans.

La première action s’appelle «Photonics 4 Society». Elle a pour ambition de développer en Région Nord

Pas de Calais un écosystème autour de la photonique. Elle intégrera un continuum d’activités allant de la

recherche fondamentale, moteur de base de l’innovation, aux applications en lien avec les industriels

notamment de la région Nord Pas de Calais. Cette démarche permettra de valoriser les résultats de cette action

bien au-delà de la prise de brevets. En effet, ce projet propose de créer également une ligne pilote, s’appuyant

sur trois équipes de recherches du laboratoire (Dynamique non linéaire des systèmes optiques et biologiques,

Photonique, Physique des atomes refroidis par LASER ) et la centrale technologique « FIBERTECH » unique de par

son envergure et son excellence en France. Cette action permettra de mener des projets de développements

jusqu’au TRL 7 dans le schéma proposé par le programme européen H2020.

Cette action « Photonics 4 Society », déjà bien structurée, est conduite par le Laboratoire PhLAM en

collaboration avec deux autres laboratoires de l’Université Lille 1: IEMN et Painlevé. Cette action est structurée

en deux parties : la première partie porte sur les recherches fondamentales avec trois axes. Le premier axe

concerne les communications optiques, le second vise l’interaction Photon-vivant et le dernier axe permettra la

diffusion des compétences scientifiques et technologiques développées vers d’autres champs disciplinaires. La

seconde partie porte sur le développement de l’innovation générée, allant jusqu’au produit industriel grâce à la

ligne pilote et les laboratoires communs «industrie-université-CNRS» que le laboratoire continuera de favoriser.

Les projets «mathématique physique» entre les laboratoires Painlevé et PhLAM, développés dans le cadre du

Labex CEMPI, ainsi que le programme de recherche et applications de l’Equipex FLUX vont trouver tout

naturellement leur place dans cette action « Photonics 4 Society ».

La seconde action dans le cadre d’un futur « Contrat Plan Etat Région » centrée sur l’environnement est

également en cours de structuration avec des laboratoires de l’Université Lille 1, de l'Ecole des Mines de Douai

et de l’Université du Littoral. Cette seconde action de recherche intègre les projets du Labex CAPPA et s’appuie

en ce qui concerne le laboratoire PhLAM sur deux équipes : Physico-chimie moléculaire théorique et

Spectroscopie et applications. Quatre axes de recherche devraient être ainsi renforcés par le CPER: l’étude

spectroscopique de précurseurs d’aérosols, l’étude des interactions aérosols/nuages/climat, l’étude des

propriétés physiques, chimiques et optiques des aérosols, et l’étude de radionucléides.

De façon plus explicite, les perspectives de chaque équipe sont indiquées ci-dessous :

Equipe « Dynamique non linéaire des systèmes optiques et biologiques »

Au cours du dernier contrat quinquennal, les activités de l'équipe ont connu des évolutions thématiques

majeures. L'expertise en dynamique non linéaire et systèmes complexes acquise dans le cadre de l'optique a été

mise au service de thématiques fortement interdisciplinaires, qui rejoignent par exemple l'hydrodynamique et la

mécanique (ondes scélérates, turbulence d'ondes,...), la physique des accélérateurs de particules, l'imagerie

quantique et la biologie cellulaire. La mise en place du laboratoire d'excellence CEMPI, où l'équipe a joué un

rôle moteur, a constitué une reconnaissance des résultats marquants obtenus et joue un rôle fédérateur. Le

projet CEMPI, où le laboratoire est impliqué dans les thématiques “Dynamique de systèmes complexes en

physique atomique et optique” et “Physique et Mathématiques pour la Biologie”, constitue un cadre naturel dans



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121

lequel poursuivre nos recherches jusque sa conclusion en 2020, en collaboration avec les autres équipes du

PhLAM impliquées et nos collègues mathématiciens du laboratoire Painlevé. Ce partenariat nous permettra de

consolider les positionnements obtenus tout en enrichissant nos outils conceptuels, essentiels en dynamique non

linéaire. Parmi les principaux thèmes qui seront développés, on peut citer par exemple la compréhension de la

formation d'ondes scélérates dans une classe plus large de dispositifs, en particulier dissipatifs (cette

thématique vient d’être soutenue par l’ANR OptiRoc, ANR-12-BS04-0011 01/2013-12/2016), l'étude de la

propagation d'ondes incohérentes dans des milieux à réponse non instantanée ou le développement de méthodes

non perturbatives pour la turbulence d'ondes, l'application des idées de “compressed sensing” aux fluctuations

quantiques, questions qui sont toutes extrêmement ouvertes d'un point de vue mathématique. L'équipe

apportera par ailleurs son expertise de dynamique non linéaire au développement du projet de laser à électrons

libres français LUNEX, en commençant par la réalisation d'un accélérateur plasma. En ce qui concerne l'interface

avec la biologie, le prochain quinquennal devrait voir la poursuite des convergences entre activités théorique et

expérimentale, nous permettant d'aborder dans une perspective intégrative l'étude biophysique des interactions

entre grandes fonctions cellulaires : horloge biologique, métabolisme, cycle cellulaire, réponses aux stress

oxydant et thermique, etc. Les activités dans ce domaine devraient également voir l'aboutissement des

évolutions récentes vers les domaines de la santé (horloge et diabète, par exemple) et des biotechnologies, via

le gros contrat industriel mis en place par l'équipe.

Equipe « Photonique »

La centrale Fibertech se verra renforcée par les investissements réalisés dans le cadre de l’EQUIPEX FLUX

et permettra la réalisation de nouvelles fibres optiques pour la recherche fondamentale comme pour les

applications. Une modélisation des mécanismes de guidage en optique linéaire et non linéaire est

particulièrement importante pour les différents projets de recherche dans le cadre du futur contrat

quinquennal : un renforcement des moyens de calculs situés à l’ IRCICA est programmé.

En optique guidée non linéaire, la réalisation de fibres topographiques (thématique initiée récemment au

laboratoire et soutenue par un financement ANR JCJC 2014-2017), dont on peut faire varier la structure radiale

selon l’axe de propagation, ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche fondamentale. Les projets

abordés notamment dans le cadre du LABEX CEMPI ou en collaboration porteront, à l’aide de ces fibres, sur la

superfluidité des photons, l’effet Casimir dynamique, la génération de photons triplets, les phénomènes

extrêmes (ex. ondes scélérates) ou encore la récurrence Fermi-Pasta-Ulam.

Les recherches portant sur les matériaux seront également poursuivies afin de disposer de fibres aux

propriétés optiques optimisées voire exacerbées : augmentation du gain par co-dopage avec des nanostructures

métalliques et des ions actifs (thématique soutenue par un financement ANR JCJC 2014-2017), ou encore

exaltation des non linéarités optiques par insertion de nanoparticules semi-conductrices. L’insertion de silicium

ou de germanium pur sera également étudiée pour intégrer de l’électronique dans la fibre optique ou encore

étendre sa transparence spectrale au-delà de 2 µm.

Les projets de recherche en collaborations avec les industriels seront renforcés à l’aide de l’EQUIPEX

FLUX mais aussi par des contrats d’études et des bourses doctorales CIFRE. La politique de création de

laboratoires communs sera poursuivie avec notamment le CEA-Cesta (en cours de négociation). Les projets de

recherche abordés porteront sur le multiplexage spatial dans les communications Petabit/s, les lanternes

photoniques, les fibres médicales, les lasers à fibres de haute puissance, les adaptateurs de modes, les fibres

résistantes aux radiations ionisantes. Afin de mener à bien les activités, il est indispensable de renforcer

l’activité fibrage de la centrale Fibertech, assurée actuellement par un enseignant-chercheur et une assistante-

ingénieur, via le recrutement d’un ingénieur de recherche.

Equipe « Physique des Atomes Refroidis par Laser »

L’Equipe de Physique des Atomes Refroidis par Laser constitue la thématique la plus jeune et la plus

petite du laboratoire. Nous considérons donc qu’elle est encore dans sa phase de développement et appelé à



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s’étoffer dans les années à venir, pour pouvoir bénéficier pleinement des perspectives ouvertes par le Labex

CEMPI.

La récente obtention d’un financement ANR K-BEC (2013) permettra à l’équipe Chaos Quantique de

s’ouvrir de nouvelles perspectives, avec la construction d’un dispositif expérimental permettant la condensation

d’atomes de Potassium. Nous resterons fidèles aux lignes actuelles de recherche liées au rotateur forcé et aux

systèmes chaotiques, qui ont fait ses preuves et permis à l’équipe de se trouver une « niche écologique » dans le

paysage international très compétitif du domaine. Ce nouveau développement permettra de renforcer l’insertion

de cette équipe dans une des grandes tendances actuelles de la physique atomique, l’étude des « simulateurs

quantiques » des systèmes à plusieurs corps. Il serait aussi souhaitable, dans les années à venir, de développer

une compétence locale théorique et numérique adaptée à ces systèmes.

Dans le domaine des instabilités dans les pièges magnéto-optiques, les premières observations sont

extrêmement encourageantes, et il est nécessaire de les poursuive dans la perspective d'une meilleure

caractérisation à la fois de la dynamique de ce système et de plasmas astrophysiques. Des simulations

numériques seront également nécessaires pour interpréter les observations. Dans le domaine des réseaux, il faut

maintenant basculer sur le système quantique. L'objectif est de mettre en évidence des signatures quantiques

des différentes configurations classiques.

Pour l’activité "fibres optiques", les projets sont tournés vers l’Equipex FLUX et la nouvelle ANR

COM’TONIQ avec le développement de sources lasers à base de lasers Brillouin. L’objectif est la production de

rayonnement THz ultra-cohérent pour des transferts de données record en format vectoriel. La partie

réflectométrie Brillouin va s’orienter vers des fibres de plus en plus exotiques.

Equipe « Physico-chimie moléculaire théorique »

Fortement investie dans la modélisation théorique de processus physico-chimiques mettant en jeu des

atomes, des ions ou des molécules, isolés, en présence d’un agrégat, adsorbés sur une surface ou dans un

environnement solide ou solvaté, l’équipe Physico-Chimie Moléculaire Théorique (PCMT) du laboratoire PhLAM

va poursuivre son investissement dans les développements de nouvelles méthodologies spécifiquement adaptées

aux systèmes moléculaires de grande taille pour étudier leur structure électronique (méthode "frozen density

embedding"(FDE)) et/ou leur dynamique (nouveaux champs de force polarisable, méthodes QM/MM). Ces

développements seront utiles aux différents thèmes de recherche soutenus soit par des financements ANR

(PARCS, EXCAT3) ou européens (Réseau TALISMAN), et couvrant les domaines suivants : propriétés chimiques et

spectroscopiques de complexes d'atomes lourds en phase gazeuse ou condensée ; spectroscopie en couches

internes et de valence de molécules d’intérêt biologique ou atmosphérique, les processus physico -chimiques

pour l’astrophysique et l’atmosphère. Ce dernier thème occupera une place plus importante dans nos activités

dans le contrat quadriennal à venir de par la participation de l’ensemble de l’équipe PCMT au LABEX CaPPA.

Equipe « Spectroscopie et Applications »

Les perspectives s’articulent autour de deux thèmes :

i) Des études d’intérêt environnemental seront développées dans le cadre du Labex CaPPA (Chemistry and

Physics of the Atmosphere), en rapport avec les « Work Packages » WP-1 (De la phase gazeuse aux aérosols : les

composés organiques volatiles (COV) comme précurseurs des particules), WP-2 (Propriétés physiques, chimiques

et optiques des aérosols. Des processus hétérogènes fondamentaux à la télédétection) et WP-5 (Contributions à

l’étude des interactions Aérosols/Nuages/climat). Ces projets permettront un renforcement des collaborations

avec les partenaires régionaux (LOA, PC2A, DCE, LPCA, LASIR) et visent une reconnaissance nationale et

internationale. Un renforcement de cette thématique en ingénieur de recherche, en enseignant -chercheur et

chercheur est nécessaire, en particulier pour développer l’apport de la physique moléculaire aux problématiques

de la physico-chimie de l’atmosphère, tant au niveau instrumental, qu’expérimental et de modélisation.



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ii) Des études d’intérêt astrophysique seront poursuivies sur base du savoir-faire de l’équipe, reconnu

internationalement, avec la spectroscopie de molécules complexes présentant des mouvements de grande

amplitude, la caractérisation de nitriles, d’ions et de radicaux, de molécules carbonées complexes (PAHs, n -

phényles, diamandoïdes et leurs dérivés azotés), ou encore avec l’analyse détaillée de processus fondamentaux

comme la conversion de spin nucléaire. L’obtention de l’ANR IMOLABS permettra également de nouveaux

développements instrumentaux dans la gamme THz.

Ces deux projets sont soutenus par des programmes nationaux mais l’ambition de l’équipe sera de

s’insérer à l’avenir dans les programmes européens du H2020, notamment sur des thèmes sociétaux.

Mobilisation pour atteindre les objectifs

La réussite des objectifs scientifiques se fera grâce au concours de toutes les composantes du laboratoire,

bien sûr des équipes de recherches, mais également des services techniques ou un renforcement notamment en

nouveaux équipements permettra de mieux répondre aux besoins liés à ces objectifs de recherche. Une réflexion

de fond doit être menée afin d’améliorer et de soulager le plus possible, et cela pour une meilleure efficacité,

le pôle « Secrétariat et Gestion » dans lequel le personnel est souvent en prise avec les nouvelles directives de

gestion et de comptabilité de plus en plus complexes. Un renforcement en personnel impliqué dans cette

activité est à prévoir, sous la forme la plus appropriée.

Sur l’ensemble du laboratoire, le maintien d'une activité de qualité, avec une dominante expérimentale,

va nécessiter du personnel supplémentaire, notamment au niveau technique et administratif. Le rapport nombre

de personnels techniques sur nombre de chercheurs et enseignants-chercheurs est assez faible compte tenu du

profil d'activité du laboratoire (0,27). Il est clair que dans le contexte actuel les marges de manœuvre de nos

tutelles sont assez étroites mais néanmoins un soutien fort est attendu par le laboratoire dans ce domaine, à la

fois pour permettre la poursuite et le développements de nouveaux projets mais aussi pour renforcer les aspects

de valorisation.

Le soutien financier et humain des différents projets de recherche s’est fait grâce au soutien du CNRS et

de l’université Lille 1 mais aussi grâce au dynamisme de chacun qui a permis de labelliser des conventions, des

Labex et Equipex mais aussi des CPER : IRENI (Institut de Recherche en Environnement Industriel) et CIA (Campus

Intelligence Ambiante). La figure ci-dessous indique les parts de chaque source de soutien :

Figure : Répartitions des sources de financement du laboratoire

La même proportion est envisagée pour le prochain contrat. Les conventions sont déjà en partie acquises

(Labex et Equipex, plusieurs projets ANR qui viennent d’être labélisés pour 3 ou 4 ans et plusieurs conventions

industrielles débutent cette année). La part CPER est acquise sur le dernier volet des deux CPER existants. Ce

financement va jusqu’en 2015. Des propositions sont en cours d’élaborations dans les prochains CPER comme

indiqués dans le paragraphe précèdent. Le financement des frais de fonctionnement de la centrale de

photonique pourrait s’avérer problématique. En effet, soutenu très fortement durant les premières années du

contrat CPER CIA (ce n’est plus le cas depuis 2012), le fonctionnement de la centrale de photonique (hors



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crédits d'infrastructure) est maintenant abondé par les contrats divers de notre laboratoire (ANR, contrats

industriels) mais l'arrivée de ces crédits n'est pas régulière ni pérenne. Or ces frais sont constants voire en

augmentation et une visibilité sur les moyens pour y faire face est nécessaire à la bonne marche de la centrale.

Ces frais dépassent aussi largement les potentialités offertes par la dotation annuelle de nos deux tutelles. Une

réflexion est engagée pour résoudre ce point toutefois des solutions sont en parties déjà acqui ses jusqu’en 2019

à travers le Labex CEMPI et l’Equipex FLUX.

Au niveau du potentiel recherche du laboratoire, majoritairement constitué d'enseignants-chercheurs

comme nous l'avons déjà souligné, les recrutements de chercheurs CNRS sont vitaux. Nous allons poursuivre

notre action de communication en vue d'augmenter encore notre attractivité, en vue de recrutements

notamment au niveau CR2 ou CR1. Au niveau des enseignants-chercheurs, la période qui s'achève a vu un certain

nombre de postes de professeurs affectés au PhLAM suite à des départs à la retraite. Nous avons ainsi pu

promouvoir et stabiliser et/ou attirer quelques maîtres de conférences talentueux au laboratoire, mais cette

action va devoir être poursuivie, sous peine de ne pas pouvoir recruter les compétences indispensables à la

réalisation de certains de nos projets. Un soutien de l'université est donc attendu sur cet aspect des re ssources

humaines. Il faudra aussi veiller à ne pas arrêter le flux de recrutement de jeunes maîtres de conférences.

Un effort particulier a été fait pour diminuer le nombre de mois de thèse en passant sous la barre des 40

mois en moyenne. Cet effort sera poursuivi pour tendre vers 36 mois. Le nombre de nos doctorants n'est pas

assez important mais quelques leviers pourraient nous permettre de faire évoluer cette situation. Les bourses de

master financées par les deux Labex devraient nous amener quelques bons étudiants supplémentaires et venir

grossir le vivier local. La souplesse introduite récemment au niveau des allocations doctorales, qui peuvent être

scindées en deux, a tout pour permettre d'attirer des co-financeurs. Cet effet commence à être visible sur nos

promotions récentes de doctorants entrants. Le développement de recherches contractualisées avec des

entreprises devrait également accroître la proportion de contrats CIFRE, domaine dans lequel nous avons pour le

moment été peu entreprenants. Les cotutelles avec l'étranger devraient aussi être poursuivies, et pas seulement

avec les partenaires dans lesquelles nous sommes engagées au niveau des co-habilitations de diplômes de

master. Un soutien de nos doctorants à la création d’entreprise permettra d’une part d’augmenter la

valorisation des recherches et d’autre part d’ajouter de l’attractivité pour les thèses et leurs débouchés.

Documents

Section des unités de recherche - Laboratoire de … · Une autre caractéristique de nos activités est la forte implication dans des projets situés aux interfaces. ... le cadre