Emission du 23 janvier 2001

Cristaux magiques

Depuis toujours, les cristaux représentent pour les hommes bien plus que de vulgaires cailloux...Ce sont plutôt des pierres rares et fascinantes, aux propriétés extraordinaires, voire magiques.

Pour les scientifiques d'aujourd'hui, les cristaux et leurs étonnantes propriétés occupent encore une place à part. Car les techniques modernes utilisent en grand nombre des cristaux de synthèse.
Grâce aux cristaux, les lasers peuvent souder, percer ou découper d'autres cristaux. Les cristaux constituent l'ingrédient essentiel d'un autre instrument de haute technologie : l'ordinateur. On les trouve dans les semi-conducteurs et en optoélectronique. Les puces informatiques qui pilotent nos téléphones portables, nos avions ou nos satellites sont fabriquées à partir de tranches de cristaux de silicium. Les cristaux nous servent aussi d'accumulateurs optiques, d'aimants ou de capteurs.
Sans les cristaux, la société moderne des transports et de la communication serait impensable et toute notre vie moderne serait ralentie.

La structure atomique d'un cristal se caractérise par un ordre strict, unique dans la nature. Par centaines de millions, les composants atomiques s'empilent avec une régularité exemplaire dans chaque direction de l'espace. Il en résulte un réseau tridimensionnel dont l'architecture est caractéristique de chaque substance. Cette incroyable perfection structurelle des cristaux est à l'origine des fascinantes propriétés physiques et chimiques des pierres précieuses, et représente précisément tout leur intérêt pour la science et la technique. Les cristaux possèdent ainsi des propriétés optiques étonnantes. Comme l'explique le professeur Bohaty, de l'institut de cristallographie de l'université de Cologne, leur "anisotropie" est responsable du fait que la lumière se propage de façon complètement différentes dans un cristal ou dans un verre.

Prof. Ladislav Bohaty : Je voudrais vous montrer avec cette expérience simple que les cristaux présentent des propriétés que l'on ne retrouve pas dans les corps non cristallins, par exemple dans les verres. Nous avons placé ici deux polariseurs, deux feuilles dont les directions de polarisation sont perpendiculaires l'une à l'autre. La lumière ne peut donc pas traverser ce dispositif. Si j'insère une plaque de verre entre les deux, il ne se passe rien, tout reste noir. En revanche, si je place une plaque mince - dans ce cas un matériau monocristallin, il s'agit ici de mica - j'observe soudain que la lumière passe, on voit même des couleurs. Et ces couleurs changent si je fais bouger ma plaque de mica. Ce phénomène est lié à l'anisotropie de la propagation de la lumière dans les cristaux. Dans un verre, la lumière se propage à la même vitesse dans toutes les directions de l'espace ; mais dans un cristal, il est fréquent que la lumière se propage à différentes vitesses selon la direction.

Dans cette expérience menée dans les laboratoires de Cologne, un cristal artificiel de niobate de strontium et de baryum est interposé sur la trajectoire d'un rayon laser. L'objectif consiste à influencer la vitesse de la lumière à l'intérieur du cristal par application d'une tension électrique extérieure.
Les extraordinaires propriétés optiques des cristaux - et c'est ce qui les rend si intéressants pour la science - peuvent donc être influencées depuis l'extérieur. Par exemple par la température ou par des champs électriques.
Le cristal est ajusté et focalisé précisément sur la trajectoire du laser.
Puis on modifie la tension.On voit à l'écran comment la modification de la tension change également la vitesse de la lumière dans le cristal. La variation de luminosité de la lumière en témoigne.

Prof. Ladislav Bohaty : Un tel cristal peut servir à des commutations lumineuses à grande vitesse. Ces commutateurs électro-optiques sont employés par exemple dans les technologies laser, mais aussi en télécommunications. Quelques laboratoires étudient également la possibilité d'utiliser ces cristaux pour le stockage holographique des informations.

Les chercheurs de Cologne fabriquent des cristaux artificiels, puis les examinent au microscope polarisant pour vérifier leurs propriétés optiques. Car toutes les impuretés cristallines, comme les inclusions ou les tensions mécaniques, peuvent atténuer l'effet recherché.C'est également sous un microscope que les cristaux livrent toute leur beauté intérieure.

Dr. Petra Becker : La constitution interne des cristaux, donc naturellement leurs propriétés, dépendent des influences extérieures, par exemple, de la température du cristal à l'instant présent. Ici, nous avons placé un cristal de titanate de baryum dans un microscope dont nous pouvons modifier la température. Nous pouvons par exemple refroidir le cristal. Et nous allons observer que la structure du cristal, donc ses propriétés optiques, subissent une modification soudaine à une température donnée, dans le cas présent à environ 5 degrés Celsius. Nous allons voir également que cet agencement de domaines que l'on voit actuellement dans le cristal va changer complètement. Refroidissons le cristal, à une vitesse de 10 degrés par minute. La température est indiquée ici, elle descend... Voilà la transformation de phase. Elle arrive par le côté. On voit bien la modification de l'image, du motif que présentait le cristal. Nous pouvons bien sûr réchauffer le cristal..., et l'on voit que la transformation de phase s'inverse et que nous retrouvons à peu près la disposition d'origine des domaines cristallins.

Cet effet permet d'utiliser ce cristal comme commutateur ou comme capteur, par exemple. On ne connaît pas et on ne comprend pas encore tous les effets magiques des cristaux. Mais ces pierres fascinantes sont certainement promises à un bel avenir.