Présentation de la coopération scientifique franco-polonaise dans le domaine des nouveaux matériaux et des applications des matériaux 2D par le professeur Adam Babiński
La coopération scientifique franco-polonaise dans le domaine des nouveaux matériaux remonte aux années 1970, et on l’a doit tout particulièrement à deux professeurs qui ont joué un rôle clé dans ce processus, le professeur Marian Grynberg de l'université de Varsovie et le professeur Gérard Martinez du Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Grenoble (LNCMI). Un autre chercheur dont la contribution au développement de cette collaboration ne peut être passée sous silence est le professeur Marek Potemski, qui travaille également au LNCMI.
L'histoire de cette collaboration est une histoire de « partenariats et de passions" ». ;
Ces chercheurs ont été réunis par un intérêt commun d’étude des structures et des matériaux semi-conducteurs à dimensions réduites, dans une quête d’analyse des systèmes dans lesquels le mouvement d'un électron est confiné à un plan ou à un point quantique, à une forme d'atome artificiel.
Les points quantiques, dont la synthèse a été récompensée cette année par le prix Nobel de chimie, ont apporté une contribution significative au domaine des nouveaux matériaux.
Les nouveaux matériaux trouvent des applications dans l’ensemble des domaines technologiques clés, des énergies renouvelables à la médecine. Le domaine de recherche s’avère être désormais celui des matériaux 2D.
L'un des matériaux 2D les plus connus est le graphène, composé d'atomes de carbone.
Andre Geim et Konstantin Novoselov, qui ont reçu le prix Nobel de physique pour la découverte du graphène, l'ont isolé d'un morceau de graphite à l'aide d'un simple ruban adhésif. Les recherches sur le graphène ont attiré l’attention de ces chercheurs sur le fait qu'il puisse exister dans la nature un groupe de matériaux constitués de couches partageant des liaisons relativement faibles, permettant d’isoler de fines structures d'un ou de plusieurs atomes.
Les matériaux 2D peuvent avoir une structure à un seul atome, comme le graphène, mais leurs couches peuvent également contenir une épaisseur de plusieurs atomes. Au cours de la recherche sur les matériaux 2D, il est apparu qu’il était possible de créer de nouveaux matériaux en assemblant des couches de matériaux différents, comme des briques LEGO, mais aussi les assembler sous différents angles, créant ainsi des structures jusqu'alors absentes dans la nature. Ces structures peuvent acquérir de nouvelles propriétés électroniques ou optiques. Elles méritent d'être étudiées, par exemple, pour initier de nouvelles applications technologiques.
Parmi les matériaux étudiés au département de physique de l'Université de Varsovie, on peut citer le disulfure de molybdène, le disulfure de tungstène et les pérovskites, qui suscitent de grands espoirs en raison de leurs applications potentielles dans le domaine de l'énergie photovoltaïque.
Quelles sont les méthodes utilisées pour tester les matériaux 2D ?
Les méthodes qui peuvent être utilisées pour étudier ces matériaux sont des méthodes de physique des semi-conducteurs, utilisées jusqu'à présent pour étudier des structures semi-conductrices classiques, des puits ou des points quantiques. L'un de ces outils est le champ magnétique intense, que ces chercheurs peuvent désormais utiliser grâce à leur collaboration avec le Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (LNCMI) de Grenoble. Le LNCMI se compose de deux centres, à Grenoble et à Toulouse, où il est possible d'obtenir des champs pulsés beaucoup plus intenses mais sur une échelle de temps limitée. Ces laboratoires offrent des possibilités de recherche uniques, non seulement par l'accès à une excellente base de mesures, mais aussi par la mise en relation avec des experts du monde entier.
Ces collaborations franco-polonaises rassemblent des scientifiques de tous niveaux et permet également leur formation
Dans le cadre de cette coopération, sont formés des étudiants, des doctorants et des chercheurs postdoctoraux en France depuis des années. Cette formation se fait à la fois dans le cadre de projets européens et de projets doctoraux conjoints, appelés cotutelle, au sein desquels la thèse de doctorat est rédigée sous la supervision de deux directeurs : un polonais et un français, dont l’aboutissement permet l’obtention d’un double diplôme. La plupart des personnes qui travaillent actuellement sur les « nouveaux matériaux » au sein du Département de physique de l'état solide de la faculté de physique de l'université de Varsovie ont séjourné au LNCMI au cours de leur carrière. Ces personnes partagent les connaissances et les compétences qu'elles ont acquises en formant d'autres étudiants.
Ces stages offrent l’occasion unique de travailler dans un environnement international et multiculturel de chercheurs permettant de se former aux diverses procédures de travail qui varie d’un pays à l’autre. Il s'agit d'une compétence clef pour les jeunes chercheurs qui, après avoir achevé leur formation à la faculté de physique de l'université de Varsovie sont aguerris et peuvent aisément s’intégrer à l'espace de la recherche avec une dimension européenne, voire mondiale.
Point de vue selon l’expérience personnelle du professeur Adam Babiński
Lorsque j'ai effectué un stage postdoctoral au LNCMI au début des années 2000, la recherche menée à Grenoble s'effectuait à deux niveaux : d'une part, la recherche menée par des équipes permanentes de scientifiques opérant sur place et, d'autre part, la recherche menée par des chercheurs invités. Des scientifiques de nombreux pays sont en concurrence pour mener des expériences à Grenoble, et sont sélectionnés par un comité de sélection international. Au cours des deux années sur le site, j'ai joué le rôle de "personne de contact", dont la tâche consistait à assurer la liaison avec ces scientifiques invités. Cette fonction m'a permis d'établir des contacts avec de nombreux spécialistes dans mon domaine.
La coopération franco-polonaise s'inscrit dans le cadre d'une activité européenne plus large dans le domaine des champs magnétiques intenses.
Le LNCMI et l'université de Varsovie sont partenaires de l'initiative European Magnetic Field Laboratory (EMFL), créée en 2014 par le LNCMI de Toulouse et de Grenoble, le laboratoire allemand Dresden High Magnetic Field Laboratory et le laboratoire néerlandais High Magnetic Field Laboratory de Nimègue. L'université de Varsovie a rejoint l'initiative en 2019 grâce au soutien du Ministère polonais de l'Education et des Sciences. L'Université de Nottingham et le CEA-IRFU (Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives) font également partie du projet.
Quels sont les travaux en cours dans le cadre de cette coopération ?
Le projet européen ISABEL vise à renforcer la communauté de recherche dans les champs magnétiques forts. Dans le cadre de ce projet, s’est tenu le " Workshop on 2D materials ", en octobre 2022 au Centre de Recherche Biologique et Chimique de l'université de Varsovie. En mai 2023, une autre conférence a eu lieu à Wrocław, à laquelle ont participé des chercheurs utilisant des champs magnétiques intenses dans leurs recherches, venant à la fois de Pologne et de toute l'Europe. En novembre 2023, un autre "Atelier sur les matériaux 2D" aura lieu, cette fois accueilli par un laboratoire de Grenoble. En collaborant activement, nous soutenons la création de l'espace européen de la Recherche, qui vise à créer un marché unique de l'UE pour la recherche, l'innovation et la technologie.
Quels sont les autres projets auxquels la Faculté de Physique de l'Université de Varsovie participe-t-elle ?
Des travaux de recherche dans le cadre du projet de recherche international (IRP) "2D Materials"visent à renforcer la coopération entre deux unités de recherche françaises : le laboratoire national des champs magnétiques intenses à Grenoble et l’institut européen des membranes à Montpellier, ainsi que deux unités de recherche polonaises : la faculté de physique de l'université de Varsovie et la faculté des problèmes technologiques dondamentaux de l'université de technologie de Wrocław.
La recherche sur ces matériaux utilisée pour développer des domaines tels que l'électronique flexible
L'un des objectifs de ce projet est de créer des dispositifs dotés de nouvelles propriétés qui feront partie de notre vie quotidienne à l'avenir, comme des panneaux photovoltaïques que l'on peut porter sur son manteau ou des téléphones flexibles. Cependant, la tâche première des chercheurs universitaires est d'éduquer les étudiants et l'exploration des processus physiques fondamentaux est nécessaire à cette fin. L'histoire nous enseigne que la recherche fondamentale débouche souvent sur des applications technologiques très spécifiques, mais il faut d'abord comprendre le processus pour pouvoir l'utiliser efficacement par la suite.
Biographie du Professeur Adam Babiński, universitaire associé à la faculté de physique de l'université de Varsovie, vice-doyen pour les finances, vulgarisateur scientifique. Son domaine d'intérêt est l'étude des propriétés optiques des nanostructures semi-conductrices : puits quantiques, points quantiques et matériaux 2D. Auteur de plus de 100 publications scientifiques dans des revues internationales. Directeur de plusieurs projets de recherche financés au niveau national et international.