TORONTO — Sajeev John a inventé le concept de piégeage de la lumière lorsqu’il était étudiant au doctorat à Harvard en 1984. Aujourd’hui, des décennies plus tard, il remporte des prix pour le concept et travaille sur la façon d’appliquer cette idée pour révolutionner la technologie solaire.

John, physicien théoricien et professeur à l’Université de Toronto, est le récipiendaire de cette année de la Médaille d’or Gerhard Herzberg du Canada pour la science et l’ingénierie, la récompense scientifique la plus prestigieuse du Canada, qui comprend une augmentation du financement.

« Le financement est quelque chose qui est très précieux pour moi », a-t-il déclaré à CTVNews.ca lors d’une entrevue téléphonique.

La médaille Gerhard Herzberg, du nom du physicien canadien qui a remporté le prix Nobel de chimie en 1971, est décernée par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada. Le bénéficiaire voit son financement augmenter pendant cinq ans, totalisant 1 million de dollars.

La technologie de piégeage de la lumière à laquelle il a pensé pour la première fois il y a plus de trois décennies a été utilisée pour fabriquer des fibres optiques, avec des applications telles que les lasers utilisés en médecine.

« Cela a en fait été utilisé dans les thérapies médicales pour la chirurgie au laser, pour guider les lumières à haute intensité d’un endoscope flexible […] pour vaporiser des tumeurs et des choses comme ça », a-t-il déclaré.

Cette technologie pourrait jouer un rôle clé dans les futurs supercalculateurs, mais à l’heure actuelle, le coût de fabrication est trop élevé en raison du niveau de perfection requis.

« L’application informatique est quelque chose qui est un peu plus loin dans le futur », a déclaré John.

Au lieu des superordinateurs, John se concentre sur la façon dont le piégeage de la lumière pourrait changer la technologie solaire, ce qui pourrait être crucial dans la lutte en cours contre le changement climatique.

« La quantité d’énergie solaire qui pleut à la surface est environ cent mille fois supérieure à la consommation totale d’énergie de tous les humains sur Terre », a-t-il déclaré. « Il s’agit donc de le capturer efficacement. »

QU’EST-CE QUE ‘PIÈGE LA LUMIÈRE’ SIGNIFIE ?

John a dit que l’idée a commencé quand, en tant qu’étudiant, il a commencé à se demander si les photons, « les particules élémentaires de lumière », pourraient être piégés « par un certain arrangement de matière » de la même manière que les électrons sont contenus à l’intérieur des atomes.

Une chose qui rend la lumière très différente des autres particules est que la lumière agit également comme une longueur d’onde, ce qui a été découvert pour la première fois dans les années 1860.

« Depuis cette époque […] personne n’avait vraiment imaginé un moyen de piéger une onde lumineuse et certains considéraient cela comme impossible car la lumière est de l’énergie pure et elle se déplace si vite », a déclaré John.

« L’idée était d’utiliser ce personnage de vague. Les vagues interfèrent – si une crête rencontre une crête, il y a ce qu’on appelle une interférence constructive, mais la crête rencontre le creux et elles s’annulent.

« Donc j’ai pu proposer, théoriquement, un arrangement de la matière – et par matière, j’entends un matériau comme le silicium – que si vous le façonniez géométriquement et disposiez ces morceaux de silicium dans une matière périodique, cela provoquerait la lumière d’interférer avec lui-même dans pratiquement n’importe quelle direction, il voudrait essayer de s’échapper du point où il a été créé.

L’idée de base de piéger la lumière est devenue sa thèse de doctorat, mais l’idée de la façon de la piéger a été approfondie dans un article en 1987 qu’il a écrit lorsqu’il était professeur adjoint à Princeton, qui décrivait l’idée théorique de créer un matériau qui pourrait piéger la lumière à une échelle comparable à sa longueur d’onde, ce qu’on appelle les matériaux à bande interdite photonique.

« C’est là que le sujet a vraiment commencé à décoller », a-t-il déclaré. «Et cela a suscité beaucoup d’intérêt parce que […] maintenant, il y avait en fait un petit chemin théoriquement prescrit pour que les gens puissent réellement réfléchir au type de matériau à fabriquer qui ferait cela.

D’autres scientifiques et groupes espérant expérimenter cette théorie se sont alors intéressés à trouver des moyens de confirmer les prédictions de John et de trouver des applications pour cette idée.

Et les scientifiques lui trouvent toujours de nouvelles applications, y compris John.

À LA CHASSE DE LA NOUVELLE TECHNOLOGIE SOLAIRE

« L’une des choses qui m’intéresse actuellement est de piéger la lumière, non pas d’un laser, mais du soleil », a déclaré John. « La source de la plupart de notre énergie. »

Son projet actuel consiste à concevoir des cellules solaires capables de piéger la lumière plus efficacement que les produits solaires existants.

« Maintenant, la lumière du soleil vient sur une très large gamme de longueurs d’onde », a-t-il déclaré. « Nous devons donc capturer toutes ces ondes et nous aimerions le faire dans un matériau très fin, ce qui est très différent des panneaux solaires standard. »

Il a déclaré qu’en introduisant un mécanisme de piégeage de la lumière, vous pourriez fabriquer des cellules solaires à partir de silicium – le matériau dont sont en grande partie constitués les panneaux solaires existants – beaucoup plus minces et même flexibles.

« Vous pouvez les mettre sur une variété de surfaces différentes – des surfaces de construction, des automobiles et même des vêtements », a-t-il déclaré. « C’est cette capacité à piéger la lumière dans un matériau très fin et un matériau très abondant et non toxique comme le silicium. […] qui est, je pense, la percée que nous essayons de développer en quelque chose de plus technologique en ce moment.

Des expériences sont déjà en cours pour tester et affiner ce concept.

John a déclaré qu’il avait des collaborateurs à Toronto, en Australie et en Allemagne qui travaillaient à faire de cela une réalité, y compris des experts en technologie solaire traditionnelle.

« Les conceptions que j’ai développées théoriquement sont mises en œuvre par ce groupe « en bas » pour placer sur la surface supérieure d’une cellule solaire, ce cristal photonique ou architecture de piégeage de la lumière, et cela est placé sur une structure en silicium, qui déjà possède l’électronique de haute qualité construite par le groupe en Allemagne qui a des records du monde dans les cellules solaires », a déclaré John.

« Donc, alors même que nous parlons en ce moment, cela est en train d’être mis en œuvre et testé. Je pense que nous aurons des réponses sur l’efficacité des appareils au cours de la prochaine année.

Si cette technologie fonctionne comme elle a été conçue, elle pourrait changer notre perception de l’énergie solaire, avec des applications potentielles en tant que revêtement sur les automobiles ou les bâtiments.

« Vous pourriez rendre la capture de l’énergie solaire beaucoup plus omniprésente, pas seulement sur quelques fermes solaires ou quelques toits », a déclaré John.

Il a souligné que le silicium est abondant sur Terre et n’est pas toxique, et si cette méthode fonctionne, elle pourrait ne pas nécessiter certains des produits chimiques les plus toxiques requis dans les panneaux solaires traditionnels.

Une autre utilisation de cette technologie de piégeage de la lumière qui est à l’étude consiste à l’utiliser pour produire plus efficacement de l’hydrogène en divisant l’eau en oxygène gazeux et hydrogène gazeux.

C’est ce qu’on appelle la photocatalyse, mais est parfois considérée comme une « photosynthèse artificielle », a expliqué John, car elle utilise l’énergie du soleil pour charger les électrons et provoquer des réactions chimiques qui peuvent transformer l’eau, de la même manière que les plantes utilisent l’énergie du soleil.

Le piégeage de plus de lumière rationaliserait le processus.

« Si vous pouviez collecter 10 fois plus d’hydrogène, alors c’est plus rentable – c’est l’idée derrière », a déclaré John.

Bien qu’il ait les mains pleines en ce moment, à l’avenir, John a déclaré qu’il aimerait voir si cette technologie pourrait être utilisée en imagerie médicale pour potentiellement aider à détecter des maladies encore plus tôt.

« Le type de personnes avec qui j’interagis, la beauté de la science elle-même, ils sont certainement tous une formidable inspiration », a-t-il déclaré.