Paris, 8 mars 2012

Première mesure de l'énergie minimum nécessaire pour inscrire un bit informatique
Dans un ordinateur, l'écriture ou l'effacement d'un bit d'information nécessite forcément de dépenser une énergie dont la plus petite valeur possible est donnée par le principe de Landauer. Cette importante prédiction physique qui fait le lien entre la théorie de l'information et la thermodynamique vient pour la première fois d'être vérifiée expérimentalement par des chercheurs du Laboratoire de physique de l'Ecole normale supérieure de Lyon (CNRS/ENS de Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1), en collaboration avec un groupe allemand de l'Université de Augsburg. Leurs travaux sont publiés dans la revue Nature du 8 mars 2012.
Peut-on imaginer mettre au point un ordinateur parfait capable d'effectuer des opérations logiques sans consommer aucune énergie ? A cette question, Rolf Landauer a répondu non en 1961. Le physicien américain avait en effet remarqué qu'à chaque fois qu'un bit d'information est créé, la mémoire binaire de l'ordinateur se voit réduite à un seul de ses deux états possibles. Faisant le lien avec la thermodynamique, Landauer a proposé que cette diminution du désordre exige pour être réalisée une quantité minimale d'énergie dont la valeur est aujourd'hui connue sous le nom de limite de Landauer (1). Vérifiée par des simulations numériques, cette énergie extrêmement faible (un milliard de fois plus petite que l'énergie nécessaire pour réchauffer d'un degré un micron cube d'eau) n'avait encore jamais été mesurée expérimentalement.

Dans l'expérience des chercheurs, c'est une bille en silice de 2 microns qui a joué le rôle du bit d'information. Plongée dans un liquide, la particule a été immobilisée par le faisceau extrêmement focalisé d'un laser, un instrument appelé ''pince optique'' couramment utilisé par les physiciens ou les biologistes. Pour leur expérience qui exige une très grande précision, les chercheurs ont conçu et construit eux-mêmes le dispositif de manière à le rendre totalement stable et insensible aux perturbations extérieures. Un deuxième piège optique identique a ensuite été focalisé juste à côté du premier. La bille microscopique peut ainsi occuper indifféremment deux positions possibles, tout comme un bit d'information peut prendre la valeur 0 ou 1. Les chercheurs ont ensuite créé un petit écoulement dans le liquide, de la droite vers la gauche, obligeant la particule à finir sa course dans le piège de gauche. Comme si on imposait au bit de prendre la valeur 1 par exemple.
Répété un très grand nombre de fois, ce cycle a été filmé par une caméra rapide à plus de 1 000 images par seconde. Connaissant avec précision la position de la particule, la vitesse d'écoulement du fluide ainsi que sa viscosité, les chercheurs ont pu ainsi mesurer l'énergie moyenne nécessaire pour faire passer la bille du piège de droite vers le piège de gauche. Et ils ont alors remarqué que pour des vitesses d'écoulement très lentes, cette énergie était minimale et correspondait précisément à la limite de Landauer.

Si en informatique, le résultat n'offre pas de perspectives immédiates, nos ordinateurs étant encore très loin de fonctionner à la limite de Landauer, les nanotechnologies en revanche pourraient en bénéficier dans un futur proche. L'énergie dépensée par un système nanométrique est en effet comparable à celle mesurée par les chercheurs. Un paramètre important à prendre en compte si l'on veut mettre au point des machines miniatures capables de travailler avec une grande efficacité.

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Paris, 23 novembre 2012

Un événement de l'histoire du champ magnétique terrestre révélé par l'action du rayonnement cosmique
Il y a 41 000 ans, le champ magnétique de la Terre s'est estompé jusqu'à pratiquement disparaître, laissant notre planète sans protection face au bombardement de particules cosmiques. Des traces de cet événement ont été retrouvées dans des carottes de sédiments océaniques par une équipe du Centre de recherche et d'enseignement de géosciences de l'environnement (CEREGE, CNRS/Aix-Marseille Université/IRD/Collège de France). Dans ces carottes, les chercheurs ont mesuré des variations dans la concentration de Béryllium 10, un isotope radioactif produit par l'action des particules cosmiques sur les atomes d'oxygène ou d'azote de l'atmosphère. Ces travaux, publiés dans le Journal of Geophysical Research, sont un pas important vers la mise au point d'une nouvelle méthode pour étudier l'histoire du champ magnétique terrestre, qui permettra de mieux comprendre sa baisse d'intensité en cours depuis trois millénaires.
Le champ magnétique terrestre forme un efficace bouclier déviant les particules chargées d'origine cosmique qui se dirigent vers nous. Loin d'être constant, celui-ci a connu de nombreuses inversions, le Nord magnétique se retrouvant au pôle Sud géographique. Ces inversions sont toujours accompagnées d'une annulation du champ magnétique. La dernière est survenue il y a 780 000 ans. Le champ magnétique peut aussi connaître des excursions, des périodes où il s'effondre comme s'il allait s'inverser, avant de retrouver sa polarité normale. Le dernier de ces événements, appelé excursion de Laschamp, date d'il y a 41 000 ans.

Ce sont des traces de cet événement que les chercheurs ont retrouvé dans des carottes de sédiments récoltées au large du Portugal et de la Papouasie-Nouvelle Guinée. Dans ces échantillons, ils ont retrouvé des excès de Béryllium 10, un élément produit exclusivement lors de la collision entre particules d'origine cosmique et atomes d'azote ou d'oxygène. Le Beryllium 10 (10Be) produit dans l'atmosphère retombe ensuite à la surface de la Terre où il s'incorpore aux glaces et aux sédiments. Dans les couches correspondant à l'excursion de Laschamp, les chercheurs ont retrouvé jusqu'à deux fois plus de 10Be que le taux normal, témoignant de l'intense bombardement de particules cosmiques qu'a subi la Terre durant plusieurs millénaires.

Classiquement, l'étude de l'histoire du champ magnétique se fait grâce à la présence dans les laves volcaniques, les sédiments ou les poteries antiques de certains oxydes de fer, notamment la magnétite, qui indiquent la direction et l'intensité du champ magnétique existant au moment où ces matériaux se sont figés. Parfois, cette approche, dite paléomagnétique, n'est pas suffisante pour quantifier précisément les variations globales du champ. Les chercheurs ont couplé cette méthode avec la mesure de la concentration de Béryllium 10 sur les mêmes archives sédimentaires. Ils ont ainsi montré que les pics de concentration de cet isotope sont synchrones et présentent la même dynamique et la même amplitude dans les sédiments du Pacifique et de l'Atlantique que dans les glaces carottées au Groenland précédemment analysées. La méthode basée sur le Béryllium 10, affinée depuis 10 ans au CEREGE, permet donc de reconstituer de façon continue les variations d'intensité du champ magnétique terrestre dans sa globalité.

Par ailleurs, on sait que depuis 3000 ans le champ magnétique a perdu 30% de sa force. Cette évolution laisse penser que la Terre pourrait connaître dans les siècles à venir, une excursion semblable à celle survenue il y a 41 000 ans. Les rayons cosmiques de haute énergie pouvant provoquer des mutations et lésions cellulaires, cet événement  ne serait pas sans conséquences sur la biodiversité, et notamment sur l'espèce humaine. Voilà pourquoi les chercheurs veulent connaître précisément les rythmes des séquences d'inversions et excursions du champ magnétique afin de retrouver d'éventuelles régularités dans son comportement, et mieux comprendre ainsi l'origine de ces phénomènes dont le siège est le noyau terrestre. C'est le but du projet Magorb lancé en 2009, avec le financement de l'ANR, et porté par le CEREGE, l'Institut de physique du globe de Paris (IPGP) et le Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE, CNRS/CEA/UVSQ).

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Paris, 1er février 2013

Cyrcé, un nouveau cyclotron pour la recherche médicale
Cyrcé (le Cyclotron pour la recherche et l'enseignement), nouvel accélérateur de particules de l'Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC, CNRS/Université de Strasbourg) installé depuis quelques mois sur le campus de Strasbourg-Cronenbourg, est aujourd'hui opérationnel. Il vient de réaliser une première production de Fluor 18, radio-isotope couramment utilisé comme traceur en médecine nucléaire. Cette étape valide le fonctionnement de cette installation unique en Europe, disponible pour la recherche académique. Cyrcé s'inscrit dans une démarche nationale visant à déterminer de nouveaux radioéléments pour progresser dans le diagnostic, le suivi de médicaments et la découverte de nouveaux protocoles thérapeutiques, notamment en cancérologie et en neurologie.
La majorité des cyclotrons de la catégorie de Cyrcé sont dédiés à la production commerciale de molécules pharmaceutiques pour les hôpitaux, notamment le Fluor 18, un élément radioactif essentiel à la production du fluorodésoxyglucose (FDG), couramment utilisé comme traceur pour l'imagerie fonctionnelle en cancérologie.

Le projet Cyrcé est porté par le monde académique. Il est donc totalement indépendant des circuits commerciaux et pourra produire des molécules en dehors de toute considération marchande. Ses caractéristiques uniques en termes d'énergie (ajustable de 19 à 24MeV) permettront de produire une large gamme de radioéléments (dont les durées de vie vont de quelques minutes à quelques jours) exploitables par la communauté scientifique régionale, nationale et internationale. Cyrcé sera ainsi mis au service des recherches sur des molécules radiomarquées  à usage préclinique (chez le petit animal) et clinique (chez l'homme), dans le domaine du diagnostic en cancérologie et en neurologie humaines, ainsi que pour la mise au point de nouveaux protocoles thérapeutiques. Ce cyclotron constituera également une plateforme unique d'enseignement en radiochimie et instrumentation nucléaire.

Deux années ont été nécessaires pour concevoir et réaliser le cyclotron et son infrastructure. Depuis son arrivée en juillet 2012 sur le campus de Strasbourg-Cronenbourg, Cyrcé a passé avec succès toutes les étapes d'installation et de mise en service. La dernière étape de « tir » de qualification, c'est-à-dire la première production de Fluor-18, fait suite à l'autorisation d'exploitation délivrée fin novembre par l'Autorité de sûreté nucléaire (ASN). Elle valide l'ensemble du système de contrôle de la machine (qui gère en permanence un millier de paramètres) et confirme l'efficacité des enceintes de confinement, de près de mille tonnes de béton et cent tonnes de plomb, destinées à faire écran aux radiations produites en cours de fonctionnement. Le cyclotron est un outil d'une grande souplesse d'utilisation et a l'avantage de ne produire aucun déchet radioactif à vie longue.

Dans le cadre des Investissements d'avenir lancés en 2009, le cyclotron Cyrcé complète les plateaux techniques strasbourgeois autour de l'imagerie du petit animal au sein de l'Equipex Transimagin (1) et vient renforcer la recherche nationale en médecine nucléaire au sein du Labex IRON (2), dont l'un des objectifs majeurs est l'innovation pour le traitement du cancer.

D'un coût total de 4,85 M€, cet équipement a été financé par le Ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche, le CNRS, la Région Alsace, le Conseil général du Bas Rhin, la Communauté urbaine de Strasbourg, le Fonds européen de développement régional (FEDER) et l'Université de Strasbourg.

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Sur les traces de la matière dans le cosmos

L'exposé débutera par une présentation synthétique de l'état actuel des connaissances concernant la genèse et l'histoire de l'Univers (modèle du big bang). Nous préciserons le rôle des différentes formes de matière et d'énergie dans l'évolution et la structuration de l'Univers. Ceci nous permettra en particulier d'introduire les concepts de la matière sombre et de l'énergie noire. La plus grande partie de l'exposé sera consacré à un tour d'horizon de quelques unes des méthodes utilisées pour identifier et caractériser les différentes composantes de matière et d'énergie présentes dans l'univers. Nous verrons en particulier comment l'étude des anisotropies du fond diffus micro-ondes permet de contraindre le contenu matériel du cosmos. Ce fond de rayonnement électromagnétique est le vestige du passé chaud de l'Univers et ses infimes anisotropies nous révèlent les clés de la physique de l'univers primordial. Nous montrerons ensuite comment l'observation des supernovae lointaines, véritables feux d'artifices cosmiques, apportent une information complémentaire à travers les contraintes obtenues sur la géométrie globale de l'univers. Enfin, la dernière partie de l'exposé nous amènera à explorer les étoiles à neutrons, ainsi que les trous noirs et leurs disques d'accrétion. Les observations à haute énergie, dans le domaine des rayons X et gamma permettent de lever le voile sur ces objets, sièges des phénomènes les plus violents dans l'univers. Dans les prochaines années, les détecteurs d'ondes gravitationnelles ouvriront peut-être une nouvelle fenêtre d'observation de ces objets insolites.

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