Le 4 juillet, Juno, la sonde spatiale de la NASA, s’engagera dans une orbite autour de Jupiter, la plus grande planète du système solaire. Son long périple (plus de deux milliards de kilomètres pendant plus de cinq ans) sera terminé, mais son travail ne fera que commencer. Après quelques manoeuvres compliquées, la sonde spatiale va entreprendre un tour qui durera quatorze jours, ce qui lui permettra d’être à la ‘proximité’ de 4000 km au-dessus des nuages les plus élevés de la planète, plus proche qu’aucune mission n’a réussi à être jusqu’à présent.

Lorsque Juno entrera dans l’orbite, le docteur Yohai Kaspi, de l’Institut Weizmann, sera bien préparé, et voici ce qu’il explique : « Pour la première fois, nous aurons l’occasion d’étudier les mouvements qui se font sous les vépais nuages que nous voyons couvrant Jupiter. » Le docteur Kaspi, qui fait partie du groupe ‘Juno Science’, et le docteur Eli Galanti, chercheur de l’Institut Weizmann, se trouveront à Pasadena (Californie), dans le Jet Propulsion Laboratory, avec les autres scientifiques et ingénieurs du groupe de Juno, qui se préparent à l’événement. Juno se trouve déjà dans la sphère de gravitation de Jupiter, et les membres du groupe vont retenir leur souffle lorsque l’engin spatial s’alignera à toute allure dans une orbite stable et se mettra à envoyer des données. Le groupe de recherche a prévu un circuit excentrique pour cette sonde, afin qu’elle puisse se rapprocher pour observer et pour prendre des mesures, puis s’éloigner pour préserver son orbite.

Parmi les nombreuses questions auxquelles Kaspi, Galanti et leurs collègues voudraient répondre, se trouve celle-ci : quelle est la profondeur des structures météorologiques que l’on observe à la surface de Jupiter? Ces structures sont des flux de gaz qui apparaissent comme des rayures ordonnées sur la surface extérieure de la planète, et comme il n’y a pas de terrain solide qui les désorganise, ils peuvent s’étendre très profondément vers le bas. Ajouter la troisième dimension à notre compréhension de ces phénomènes pourrait aider à répondre à tant d’autres questions, parmi lesquelles celles de savoir comment se forment ces structures, si les couches extérieures pivotent en synchronisation avec les couches intérieures, quelle est l’épaisseur de la célèbre Grande Tache Rouge, et si la planète a un noyau intérieur solide. La réponse à cette dernière question sera la clé qui permettra de comprendre comment se forment les planètes.

Le docteur Kaspi, qui participe au programme Juno depuis presque dix ans, a utilisé cette période pour préparer les outils qui serviront à analyser les mesures de la gravité de la planète. Du fait que le temps, c’est-à-dire le mouvement de la masse autour de la planète, provoque de légères fluctuations dans la gravité de la planète à différents endroits, Kaspi et son groupe utiliseront les données provenant des mesures des champs de gravitation fournies par Juno pour faire un ‘calcul inversé’ dans le but de calculer les fluctuations des vents qui les modifient.

Ils vont ainsi aider les chercheurs à ‘donner pour la première fois un coup d’oeil sous l’épaisse couche de nuage’ de Jupiter. Le docteur Kaspi a déjà utilisé ces outils pour calculer la profondeur des tempêtes sur Uranus et Neptune, montrant que les vents violents qui soufflent sur ces planètes sont limités à une couche supérieure relativement fine, et pour analyser les mesures de Jupiter et Saturne obtenues par des télescopes terrestres. Mais la mission Juno offrira la première occasion pour mesurer avec précision les différences dans les champs de gravitation de Jupiter, et pour développer ainsi une image claire de l’intérieur de la planète et de sa dynamique atmosphérique.

La recherche du docteur Yohai Kaspi est financée par le Helen Kimmel Center for Planetary Science.

Comment utiliser au mieux un noeud papillon

Des nanostructures en forme de noeuds papillons pourraient accélérer les progrès du développement de dispositifs quantiques

Des nanoparticules d’argent, en forme de noeuds papillons, pourraient rendre réel le rêve de l’informatique quantique et du traitement quantique de l’information. Ces nanostructures, créées à l’Institut Weizmann des Sciences, et récemment décrites dans la revue Nature Communications, simplifient considérablement les conditions expérimentales dans lesquelles on peut étudier les phénomènes quantiques, et ils pourraient à l’avenir être développés pour l’obtention de composants de base des dispositifs quantiques.

Le groupe de recherche, dirigé par le professeur Gilad Haran, du département de Physique chimique, avec le docteur Kotni Santhosh (à l’époque postdoctorant), la docteure Ora Bitton, du Service de soutien à la recherche chimique, et le professeur Lev Chuntonov, du Technion-Israel Institute of Technology, ont confectionné des nanoparticules d’argent bidimensionnelles en forme de noeuds papillons, avec dans leur centre un minuscule écart d’environ 20 nanomètres (milliardièmes de mètre). Les chercheurs ont ensuite trempé les ‘noeuds papillons’ dans une solution contenant des points quantiques, de minuscules particules semi-conductrices qui peuvent absorber et émettre de la lumière, mesurant chacune de six à huit nanomètres. Au cours du trempage, une partie des points quantiques ont été piégés dans les noeuds papillons.

Lorsqu’ils ont été exposés à la lumière, les points piégés se sont ‘accouplés’ avec les noeuds papillons – terme scientifique se référant à la formation d’un état mélangé dans lequel un photon dans un noeud papillon est partagé, si l’on peut dire, avec le point quantique. Le couplage a été assez fort pour qu’on puisse l’observer même lorsque les écarts ne contiennent qu’un unique point quantique. On a ainsi pu faire en sorte que les nanoparticules du noeud papillon ont pu passer d’un état à un autre : d’un état sans couplage avec les points quantiques, avant l’exposition à la lumière, à l’état de mélange caractérisé par les ‘couplages forts’ qui font suite à l’exposition.

Il s’ensuit que la capacité de contrôler le couplage de points quantiques pourrait à l’avenir être utilisée dans la fabrication de commutateurs logiques pour appareils d’informatique ou de chiffrage, c’est-à-dire fonctionnant au niveau des photons et des systèmes quantiques autonomes, comme les atomes, les molécules et les points quantiques. Du fait que les phénomènes de ce genre ouvrent des possibilités irréalisables à l’échelle macroscopique (comme par exemple effectuer simultanément de nombreuses opérations) on peut espérer que les dispositifs quantiques seront beaucoup plus puissants que les ordinateurs électroniques et les systèmes de chiffrement actuels.

Voici ce qu’explique le professeur Haran : « Avec l’utilisation de notre méthode de couplage, nous avons fait un premier pas vers la création de ces commutateurs quantiques. Il faudra encore de longues recherches avant que cette méthode puisse être incorporée aux dispositifs actuels, mais en principe notre système est relativement facile à réaliser et de plus, chose très importante, il peut fonctionner à la température ambiante. Actuellement nous travaillons à la mise au point de noeuds papillons encore plus petits, et nous cherchons à rendre le couplage encore plus fort et aussi réversible. »

Les chercheurs de l’Institut Weizmann ont réussi à élaborer leur système de noeud papillon grâce aux progrès de la nanotechnologie (comprenant la lithographie par faisceaux d’électrons, utilisée pour la fabrication des noeuds papillons et pour faciliter dans leurs espaces) et aussi grâce à l’émergence de programmes informatiques qui fournissent des analyses de données qui exigeaient auparavant un effort massif de la part des théoriciens. Ils se sont aussi appuyés sur la compréhension récemment améliorée des oscillations d’électrons, déclenchées par la lumière dans les métaux, ce qui constitue la source physique du couplage des nanoparticules des noeuds papillons et des points quantiques : ces oscillations sont connues pour être les plus fortes à la surface des métaux. Dans les nouvelles particules en forme de noeuds papillons, le champ électromagnétique produit par ces oscillations est extrêmement concentré, d’une façon semblable à la concentration de la lumière en faisceau étroit.

Grâce à cette forte concentration, on peut assurer un contrôle étroit sur le couplage, et ce contrôle, à son tour, est essentiel pour qu’on puisse réaliser à l’avenir des applications quantiques. Aucun des systèmes construits par le passé pour étudier les interactions quantiques entre la lumière et la matière n’a jamais été effectué à une si petite échelle et n’a jamais été capable de réduire les expériences au niveau de points quantiques individuels comme cela a été fait au cours de cette recherche à l’Institut Weizmann.

La recherche du professeur Gilad Haran est financée par : Ilse Katz Institute for Material Sciences and Magnetic Resonance Research, qu’il dirige ; Nancy and Stephen Grand Research Center for Sensors and Security, qu’il dirige ; Henry Chanoch Krenter Institute for Biomedical Imaging and Genomics ; Carolito Stiftung ; Weston Nanophysics Challenge Fund ; M. et Mme. Antonio Villalon ; le professeur Dov and Ziva Rabinovich Foundation. Le professeur Haran est titulaire de la chaire Hilda Pomeraniec Memorial Professorial Chair.

La première classe de diplômés du Centre Schwartz/Reisman pour l’enseignement des sciences

La remise des diplômes à la première classe du Schwartz/Reisman Science Education Centre, à Rehovot, a eu lieu le 29 juin dans le Jardin Clore de l’Institut Weizmann des Sciences. Parmi les personnes qui ont participé à cette cérémonie : le professeur Daniel Zajfman, président de l’Institut Weizmann, M. Zohar Blum, adjoint au maire de Rehovot, et M. Yossi Shvo, maire de Ness-Ziona. Parmi les autres personnes présentes, se trouvaient les 207 élèves de terminale qui venaient de se présenter au dernier examen du baccalauréat de physique. Le professeur Zajfman a pris la parole et leur a dit : « Lorsque vous étudiez la physique, ce que vous apprenez, c’est une manière de penser. Les diplômés du Schwartz/Reisman Science Education Centre, Rehovot, peuvent maintenant choisir n’importe quelle profession. Nous remercions en particulier les personnes les plus importantes : ce sont les enseignants. L’enseignement est la seule profession qui permet à toutes les autres professions d’exister. Sans les personnes qui s’engagent pour aider nos enfants à construire leur avenir, nous ne réussirions pas à atteindre le nôtre. »

Il y a trois ans que le Schwartz/Reisman Science Education Centre, Rehovot, s’est ouvert dans le Ruth and Uriel Arnon Science Education Campus, faisant partie de l’Institut Weizmann. Il a pour but de donner aux lycéens de Rehovot et de Ness-Ziona l’occasion d’apprendre la physique à un niveau plus élevé. La méthode particulière de ce centre a d’abord été développée à l’Institut Weizmann des Sciences, puis appliquée avec un grand succès au Hemda Schwartz/Reisman Center, qui se trouve à Tel-Aviv. L’idée était de créer un espace centralisé pour tous les élèves de la région, de l’équiper de laboratoires modernes, et de procurer aux élèves les meilleurs professeurs de physique, qui ne cessent jamais d’étudier les matières scientifiques et mettent continuellement à jour leur enseignement. Pour les élèves, la participation est gratuite, et le centre est dirigé en commun par les municipalités de Rehovot et de Ness- Ziona, avec l’Institut Weizmann. Les diplômés suivent les cours du centre deux fois par semaine pendant trois ans. Une preuve du succès de cette méthode : les villes de Rehovot et de Ness-Ziona ont déjà rendu compte du fait qu’il y a une augmentation du nombre d’élèves qui se préparent à des examens de haut niveau pour être reçus à l’université en physique et en mathématiques.

Les quinze enseignants du centre et les trois directeurs des laboratoires travaillent à plein temps. Non seulement ils donnent des cours à ces classes, mais encore on met à leur disposition du temps destiné à développer de nouveaux programmes, ainsi que des examens, et pour s’entraider. Le docteur Ronen Mir, directeur du centre, dit ceci : « Lorsque nous mettons quinze professeurs de physique dans une pièce, ils deviennent réellement créatifs – et si eux-mêmes ont du plaisir avec la matière qu’ils enseignent, les élèves n’en ont pas moins.