La distinction scientifique suprême a été attribuée aux trois inventeurs qui ont rendu possible l’avènement de l’ampoule électrique du futur, à basse consommation et de longue durée: la LED. Il s’agit de deux Japonais et d’un Américano-Japonais.Cette technologie entre parfaitement dans l’esprit du prix voulu par Alfred Nobel, tant elle a un impact sociétal énorme dans la vie de tous les jours, dit un observateur
L’ampoule à incandescence a illuminé le XXe siècle; le XXIe sera celui des lampes à LED! Et mardi était le jour de leurs inventeurs: les physiciens japonais Isamu Akasaki et Hiroshi Amano, ainsi que l’Américano-Japonais Shuji Nakamura ont reçu le Prix Nobel de physique pour avoir inventé la LED bleue, et ainsi permis l’avènement «d’une nouvelle source de lumière blanche efficace d’un point de vue énergétique et bonne pour l’environnement», selon l’Académie Nobel. Cette technologie est aujourd’hui omniprésente, dans les téléphones portables ou dans les téléviseurs, les DVD Blu-ray, les flashs d’appareils photo et, de plus en plus, dans les ampoules d’intérieur.
«L’impact sociétal de cette découverte est énorme, dit Nicolas Grandjean, professeur de physique de la matière condensée à l’EPFL. Sur ce point, ces travaux sont diamétralement opposés à ceux primés l’an dernier sur le boson de Higgs. Cela montre que la physique peut non seulement révéler du savoir de base, mais aussi avoir des applications directes sur l’économie, la vie de tous les jours.»
Les diodes électroluminescentes (LED) produisent de la lumière en transformant directement l’électricité en particules lumineuses, ou photons; les anciennes ampoules deviennent, elles, lumineuses parce que leur filament, lorsqu’il est parcouru par un courant, s’échauffe au point de devenir incandescent.
Le fonctionnement des LED est basé sur l’empilement de couches de matériaux ubiquitaires dans l’électronique d’aujourd’hui: les semi-conducteurs. Les tranches de pain de ce sandwich contiennent respectivement un surplus d’électrons ou un manque d’électrons – les physiciens disent alors que le matériau semi-conducteur regorge de «trous», qui sont qui plus est susceptibles de s’y déplacer. Et pour jambon, au milieu: une couche dite «active», où se rencontrent ces électrons et ces trous lorsqu’une tension électrique est appliquée. Lors de cette recombinaison, de la lumière est créée. Sa couleur dépend entièrement du matériau utilisé.
Au milieu du XXe siècle déjà, les physiciens ont ainsi réussi à fabriquer des LED vertes et rouges. Mais la bleue leur a résisté durant trois décennies. «Il existait bien un matériau dont on pensait qu’il pourrait faire l’affaire, le nitrure de gallium (GaN), dit Nicolas Grandjean. Le problème résidait dans son «dopage», soit dans notre capacité à créer dans ce matériau l’excès ou le déficit d’électrons nécessaire pour le rendre semi-conducteur. A tel point que l’on a longtemps pensé que c’était impossible.»
En 1986, Akasaki et Amano, à l’Université de Nagoya, ont d’abord surmonté un premier écueil, puisqu’ils sont parvenus, en modulant divers paramètres, à faire croître des cristaux de GaN d’une assez grande pureté. Peu après, ils ont découvert une manière de transformer ces cristaux en matériau semi-conducteur. Et en 1992, ils présentent la première LED bleue. «Le souci, c’est que la technique qu’ils utilisaient – un bombardement par un faisceau d’électrons – n’était pas transposable à une production de masse», dit Nicolas Grandjean, qui travaille aussi sur ces matériaux.
Or, «après avoir d’abord convaincu le patron de son entreprise Nichia Chemicals d’investir 15 millions de dollars dans cette aventure risquée, Nakamura achevé le travail». Le physicien, devenu américain et travaillant à l’Université de Californie à Santa Barbara a, en effet, mis au point une méthode de croissance en four de cristaux de GaN qui les rendait semi-conducteurs.
Les deux groupes n’ont ensuite cessé d’améliorer leur produit. «Tous ces travaux, qui ont ouvert un vaste domaine, sont le fruit d’une immense persévérance pendant plus de dix ans, souligne le physicien de l’EPFL. C’est pourquoi l’on attendait depuis une décennie déjà que le Nobel leur revienne.»
Car avec des faisceaux de lumière verte, rouge et désormais bleue depuis la découverte du trio japonais, il devenait possible, en les combinant, de générer un éclairage blanc d’une manière totalement inédite. Une lumière qui nécessite beaucoup moins d’énergie: «Avec des LED commerciales, il faut environ 10 fois moins d’énergie – donc d’électricité – qu’avec des ampoules à incandescence, pour produire la même quantité de lumière», dit Nicolas Grandjean. De plus, les LED durent 100 fois plus longtemps que le bon vieux bulbe mis au point par Thomas Edison. Enfin, elles ne contiennent par exemple pas de mercure, comme les lampes à fluorescence souvent aussi vantées comme économes en énergie.
Selon l’Académie Nobel, les LED sont promises à un brillant avenir, notamment dans les pays en développement où 1,5 milliard de personnes, qui n’ont pas accès à l’électricité, peuvent connecter ces ampoules à basse consommation à des panneaux solaires bon marché. «Ce d’autant que les LED reposent sur les technologies des semi-conducteurs, qui n’ont pas encore atteint leurs limites. Comme c’est le cas dans les composants informatiques, leur prix va encore baisser.»
