L'interaction lumière-matière
Ce Programme et équipements prioritaires de recherche (PEPR) exploratoire vise à comprendre, façonner et exploiter la lumière comme un moyen unique d’explorer et contrôler la matière. Au cœur de ce programme de recherche exploratoire : l'interaction lumière-matière.
Fondamentale en physique et en chimie, l'interaction lumière-matière désigne l'ensemble des phénomènes par lesquels la lumière interagit avec la matière. Il existe différents types d'interaction, qui produisent des effets différents pour des applications concrètes variées : absorption, réfraction, diffusion, réflexion...
Par exemple, l'absorption transfère l'énergie des photons aux atomes ou aux molécules d'un matériau. Dans le cas de la réfraction, on observe un changement de direction de la lumière lorsque celle-ci passe d'un milieu à un autre sous certaines conditions. Bien connue de toutes et tous, la réflexion, est le produit de la rencontre entre un faisceau lumineux et la matière ; une surface, qui va dévier le rayon lumineux.
La recherche exploite les interactions lumière-matière, à un niveau fondamental pour mieux comprendre ces phénomènes, et dans une optique très concrète également puisque de ces interactions sont nées des avancées technologiques que chacune et chacun d'entre nous connait bien aujourd'hui : les panneaux solaires, utilisés dans le secteur de l'énergie, les lasers, dont la médecine entre autres s'est emparé, ou encore les spectromètres, utilisés notamment dans le secteur spatial et qui permettent notamment aux astronomes d'analyser un objet et d'en tirer de précieuses informations en étudiant la lumière.
Mettre en lumière l'expertise de la France en la matière
L'excellence de la recherche française
La France est à la pointe dans le domaine de l'interaction lumière-matière. Une championne européenne et même mondiale, avec plusieurs prix Nobel récents dans ce domaine :
- Jean-Pierre Sauvage en 2016 ;
- Gérard Mourou en 2018 ;
- Alain Aspect en 2022 ;
- Pierre Agostini et Anne L'Huillier en 2023.
Forte de son expertise, la France doit maintenir et consolider son positionnement, à la fois académique et industriel. C'est la raison pour laquelle le Gouvernement, à travers le Plan France 2030, a confié au CEA et au CNRS, organismes de premier rang dans ces domaines, le co-pilotage du programme LUMA.
Comment ces recherches sont-elles articulées ?
Le PEPR LUMA est construit autour de trois défis.
Le défi « Smart Photoscience » qui prévoit, via un contrôle de la photo-réactivité de molécules ou d’assemblages moléculaires par une instrumentation adaptée aux petites échelles de temps et d’espace, de décrypter des systèmes et des dynamiques complexes en chimie, physique, biologie, pour les faire fonctionner par des processus de photo-activation sophistiqués.
Le défi « Photons for Green » qui vise à l’émergence de nouvelles technologies « vertes » haute performance pour l'énergie et l'industrie de demain, en utilisant les photons comme réactifs propres et en s’inspirant du fonctionnement de systèmes naturels photo-activables.
Le défi « Light for Protection » qui a pour objectif d’utiliser la lumière pour une meilleure préservation de la santé, de l’environnement ou des objets de notre patrimoine, via une meilleure compréhension des effets du photo-vieillissement ainsi que le développement de matériaux photo-protecteurs, de dispositifs de photo-diagnostic ou de médicaments photo-activables spécifiques.
Le PEPR LUMA en chiffres
Un programme de recherche qui fédère la communauté scientifique
Co-piloté par le CNRS et le CEA, le PEPR LUMA associe en outre des universités partenaires : Aix-Marseille Université, Sorbonne Université, Université de Bordeaux, Université Claude Bernard Lyon 1, Université de Lille, Université de Strasbourg.
Il s'agit de structurer les efforts et les talents de la communauté scientifique française autour de projets ciblés à fort impact, tant pour les acteurs industriels que pour la société dans son ensemble, les applications de ces recherches ayant comme objectif de trouver une résonance concrète pour les citoyens. Le PEPR LUMA permettra en outre de renforcer les infrastructures de recherche nationales, au plus haut niveau international.
Le programme de recherche est dirigé par Rémi Métivier pour le CNRS et Catalin Miron pour le CEA.
Rémi Métivier est directeur de recherche CNRS au Laboratoire Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires (PPSM) à l’ENS Paris-Saclay. Catalin Miron est directeur de recherche CEA au Laboratoire Interactions, Dynamiques et Lasers (LIDYL) au CEA Paris-Saclay.
Entretien avec les co-directeurs du PEPR LUMA
Comment peut-on résumer les enjeux de ce PEPR ?
Catalin MIRON : Tout d’abord, LUMA est un PEPR exploratoire, qui anime donc de la recherche amont. Il vise à donner à la communauté française les ressources pour comprendre, façonner et exploiter la lumière comme moyen d’explorer et de contrôler les systèmes physico-chimiques et biologiques, aux interfaces entre la biologie, la chimie, la physique, les sciences de l’ingénieur et de la vie, la santé, ou encore les sciences du patrimoine et de l’environnement.
Afin de créer des conditions propices aux synergies interdisciplinaires et à la fertilisation croisée en tant que moteurs d’une nouvelle science, le programme se concentre sur des défis scientifiques interdisciplinaires, qui mobilisent l’ensemble de ces disciplines et communautés scientifiques :
- Vers une photoscience intelligente ;
- Des photons pour les technologies vertes ;
- La lumière pour protéger.
A titre d’exemple, LUMA abordera la structuration de la matière à l’aide de la lumière aux échelles ultimes de temps et d’espace (attoseconde et nanomètre), jusqu’au développement de procédés et de dispositifs permettant la conversion efficiente de l’énergie solaire en énergie chimique, en produisant des carburants solaires. Autre exemple, le PEPR permettra également de développer la thérapie dite photodynamique, comme une nouvelle arme de lutte contre le cancer.
Le PEPR est articulé autour de quatre axes de recherche : chiralité, énergie et environnement, photochimie et matériaux, santé. Pouvez-vous en décrire les objectifs ?
Rémi MÉTIVIER : L'ensemble de ces thématiques font appel à la lumière et de nombreux défis scientifiques transversaux nous attendent pour aboutir à des résultats pleinement exploitables pour la société.
Nous avons besoin de résoudre des questions fondamentales telles que l'augmentation de l'efficacité, de la conversion lumineuse ou encore la durabilité des dispositifs que nous concevons. Et c'est en cela que ces grands objectifs interdisciplinaires pourront permettre de répondre à de grandes questions transversales.
Le programme prévoit de s'appuyer sur deux infrastructures nationales : pouvez-vous les présenter et expliquer comment la communauté scientifique pourra s’en emparer ?
Rémi MÉTIVIER : Dans le cadre du programme de recherche LUMA, nous mettons en place un réseau de plateformes instrumentales à la pointe des technologies actuelles distribuées sur l'ensemble du territoire français et accessibles à tous les chercheurs pour catalyser leurs activités de recherche.
Nous finançons aussi des projets collaboratifs faisant appel aux multiples compétences complémentaires des laboratoires pour atteindre nos objectifs de recherche.
Ce « hub » d'infrastructures LUMA a été officiellement ouvert en février 2024.
Il est composé de deux réseaux de plateformes :
- l’infrastructure ULTRAFAST, regroupant 7 plateformes laser de photoscience ultrarapide et de nano-usinage ;
- l’infrastructure OPERANDO/PROTOTYPAGE, regroupant 8 plateformes operando et de prototypage.
Les demandes d’accès aux plateformes LUMA sont ouvertes à l’ensemble des utilisateurs académiques de la communauté nationale, sur projet. Les déplacements et frais des utilisateurs sont remboursés par LUMA, sauf dans le cas des grandes infrastructures nationales (comme SOLEIL et Infranalytics), où ces frais sont considérés comme pris en charge par l'infrastructure d'accueil. LUMA contribue par ailleurs à l’achat d’équipements complémentaires renforçant l’offre des plateformes dans les domaines d’intérêt de LUMA.
