Parler de photonique, d’optomécanique quantique et de microrésonateurs optiques avec Tobias Kippenberg, dont les percées lui ont valu de remporter le Prix Marcel Benoist 2025, c’est discuter de lumière, mais aussi de verres de vin, de peignes et de roues de vélo. Des champs de recherche devenus cruciaux dans l’univers actuel de la technologie et qui demeurent – que l’on se rassure – loin de l’œnologie, de la trichologie (l’étude des cheveux) voire du cyclisme ! Encore que.
Car c’est à bicyclette que ce physicien allemand âgé aujourd’hui de 49 ans a découvert sa vocation pour la science. Un matin d’hiver, à Brême où il grandit, il chute sur l’asphalte recouvert de « glace noire », un mince film de glace transparent sans bulles d’air presque invisible, qui provient de la condensation de vapeur d’eau. Et cela même si le fond de l’air n’est pas si froid. L’adolescent reste interloqué, tant par son accident que par son incapacité à avoir discerné l’état des conditions routières. Il se demande alors comment les voitures pourraient reconnaître une telle chaussée glacée. Mais rien de tel n’existait. Tombant sur une affiche de « Jugend forscht », un concours destiné aux jeunes scientifiques, il décide de consacrer du temps à cette question, et s’inscrit à la compétition. Il se documente, tombe sur la littérature scientifique décrivant l’étude des glaciers par satellites, aborde des entreprises locales qui lui fournissent du matériel et, aidé par sa passion pour la programmation informatique, met au point un dispositif expérimental de détection de la glace noire par micro-ondes et infrarouge. Il gagne le concours allemand, et remporte ensuite son pendant au niveau européen ! Sa route est toute tracée.
Comme les motards dans les cirques
Après une licence à l’Université d’Aix-la-Chapelle, à la fois en physique et en génie électrique, « je voulais travailler à l’interface de la physique et de l’ingénierie », se souvient-il. Il candidate dans différentes universités, et est accepté au prestigieux California Institute of Technology (Caltech), en bénéficiant même d’une bourse ! Master, puis doctorat, « pour lequel j’ai dû choisir un sujet. Sur les conseils de mon futur conseiller Kerry Vahala, je me suis passionné pour un domaine exotique à cette époque : les microrésonateurs optiques ». En l’occurrence de sphères de verre microscopiques dans lesquelles les particules de lumière, les photons, peuvent être piégées et tourner en boucles comme les motards dans ces globes d’acier dans les cirques.
« Je voulais travailler à l’interface de la physique et de l’ingénierie. »
Tobias Kippenberg les étudie, et en développe surtout une autre forme. Au lieu d’une sphère : un anneau de verre similaire au pneu d’une roue de vélo, d’un diamètre de 30 micromètres, soit trois fois moins que celui d’un cheveu. Et il fait sa première découverte importante : lorsque la lumière d’un laser est injectée tangentiellement dans ce doughnut transparent, elle se met à faire jusqu’à un million de tours, rebondissant sans cesse sur les parois incurvées de ce boyau circulaire. Ce faisant les photons exercent sur elles une pression, appelée « pression de radiation », qui peut devenir suffisamment importante pour faire vibrer l’anneau. Autrement dit, la lumière y génère un effet mécanique.
Pour l’expliquer, Tobias Kippenberg aime utiliser l’analogie du verre à vin : « Lorsque vous passez votre doigt mouillé sur sa tranche, ce contact amplifie la vibration du verre au point que vous pouvez l’entendre. Dans nos expériences, la lumière est le doigt, et elle amplifie la vibration mécanique de l’anneau, qui peut aussi être mesurée », d’où le nom de microrésonateur pour cet objet. Des recherches qu’il développe durant son post-doctorat au Caltech, puis en Allemagne comme chercheur indépendant à l’Institut Max Planck d’optique quantique, ouvrant ainsi le domaine de l’optomécanique quantique ; qu’il publie dans de nombreux articles ; et qu’il attribue avant tout à une certaine sérendipité.
« Dans nos expériences, la lumière est le doigt, et elle amplifie la vibration mécanique de l’anneau, qui peut aussi être mesurée. »
« Par hasard, j’ai découvert un livre du physicien russe Vladimir Braginsky, qui mentionnait l’effet de la réflexion de faisceaux lasers sur les miroirs d’instruments appelés interféromètres. » Nous sommes en 1969 ; Braginsky travaillait sur les plans des futurs détecteurs d’ondes gravitationnelles, qui requéraient des systèmes optiques très pointus. Et il postule justement qu’une ‘pression de radiation’ créée par les lasers peut dérégler ces derniers, en amplifiant la vibration mécanique des miroirs. « En fait, tout était écrit, théoriquement, dans son livre, se souvient Tobias Kippenberg. Et moi, j’ai vu ce phénomène mécanique sur nos résonateurs annulaires ! Il n’y avait plus qu’à accoler l’expérience à la théorie, à ‘relier les points’, comme on dit. » Le jeune physicien allemand a donc pu observer une prédiction vieille de près de 50 ans de Braginsky, appelée « rétroaction dynamique ».
Une année « Eurêka »
Mieux : en 2006, Tobias Kippenberg démontre également l’effet opposé. En faisant ressortir la lumière laser de l’anneau après l’y avoir injecté, celle-ci emporte avec elle une certaine quantité d’énergie, qui induit un phénomène inverse à l’amplification des vibrations : en l’occurrence, cela fait drastiquement diminuer ces dernières, au point presque de « pétrifier » le microrésonateur de verre – « refroidir », disent les physiciens. Un comportement que Braginsky mentionnait aussi, en passant, dans son ouvrage.
« J’ai toujours eu à l’esprit la phrase du célèbre physicien Richard Feynman, pour qui ‘la personne la plus facile à tromper, c’est soi-même’. »
Des résultats à tous points remarquables donc. Mais le physicien parlerait-il d’un « moment Eurêka » ? « Plutôt d’une année Eurêka, car tout cela s’est déroulé sur une certaine période. J’ai toujours eu à l’esprit la phrase du célèbre physicien Richard Feynman, pour qui ‘la personne la plus facile à tromper, c’est soi-même’. Car il fallait encore montrer que ce n’étaient pas des effets induits par la chaleur de la lumière qui généraient ce qu’on observait, mais bien la ‘pression de radiation’, une propriété, elle, purement mécanique. » Les expériences à venir allaient vite permettre de clore ce débat. Et de rendre ce champ d’études encore plus passionnant.
Salle blanche exceptionnelle
Un intérêt que Tobias Kippenberg vient approfondir en Suisse, puisqu’il arrive en 2008 à l’EPFL, et y transfère en 2010 son laboratoire du Max Planck Institut. « Deux raisons m’y ont attiré, outre l’excellence reconnue des deux Ecoles polytechniques fédérales (Lausanne et Zurich) ou d’autres facteurs comme la stabilité et la sécurité de la Suisse à moult niveaux : d’une part, la qualité de la ‘salle blanche’, ce laboratoire sans poussière où je savais que je pourrais développer les technologies souhaitées.
D’autre part, le fait que l’EPFL était l’une des seules hautes écoles européennes à avoir mis en place, sous l’égide de l’ancien président Patrick Aebischer, un système de ‘tenure track’ », qui permet de recruter des scientifiques pour une durée de quelques années, mais avec ensuite l’opportunité pour eux d’aspirer à une titularisation comme professeur ordinaire. Un titre que Tobias Kippenberg obtient en 2013.
La mécanique quantique affirme qu’une particule quantique peut être à plusieurs endroits et dans plusieurs états en même temps.
C’est dans ce contexte qu’avec son équipe, il publie dans la prestigieuse revue Nature un article majeur montrant que le caractère quantique de la lumière laser injectée dans ses microrésonateurs peut être couplé à celui des vibrations induites. Pour bien saisir les enjeux en présence, il faut se rappeler quelques principes déconcertants, propres à la physique quantique. Ainsi, deux photons distants de centaines de mètres peuvent réagir simultanément si l’on en manipule uniquement un, comme si un lien invisible les unissait : on dit alors qu’ils sont intriqués. Mieux : la mécanique quantique affirme qu’une particule quantique peut être à plusieurs endroits et dans plusieurs états en même temps : c’est le « principe de superposition » ! Bref, des propriétés quantiques déroutantes qui s’appliquent en principe uniquement au monde de l’infiniment petit, mais qui disparaissent lorsqu’on considère des objets plus gros et classiques, comme ces résonateurs annulaires. Et là, voilà que les vibrations de ces derniers se soumettent en quelque sorte aux lois quantiques ! Bluffant !
Des peignes de fréquences optiques
Au final, Tobias Kippenberg a montré que la lumière, décrite par la physique quantique, pouvait induire des effets mécaniques non seulement stupéfiants, mais aussi utiles : l’un des domaines qu’il contribue à ouvrir, appelé « refroidissement par laser », permet de développer des senseurs pouvant mesurer des mouvements avec une incroyable précision, dix à mille fois plus fine que celle du diamètre d’un proton.
« J’en suis évidemment très honoré. Mais, comme je suis encore loin de la retraite, cela ne diminue en rien ma curiosité… »
Toutes ces découvertes donnent alors un formidable élan aux recherches fondamentales en optomécanique quantique, faisant de Tobias Kippenberg un scientifique extrêmement cité par ses pairs, un savant très demandé par différentes académies des sciences (l’américaine National Academy of Engineering ou l’allemande Leopoldina), le récipiendaire de soutiens prestigieux comme des bourses du Conseil européen de la recherche (ERC), et enfin le lauréat de prix prestigieux, tel le ZEISS Research Award ou le Prix Latsis national en 2014. Et maintenant le Prix Marcel Benoist : « J’en suis évidemment très honoré. Mais, comme je suis encore loin de la retraite, cela ne diminue en rien ma curiosité… ». Ce d’autant que dès son doctorat, il a investi un autre champ de recherches prometteurs : celui des peignes de fréquences optiques.
Il s’agit là d’une utilisation très spécifique d’un laser de lumière pulsée dont la fréquence se voit scindée, à l’aide d’un dispositif technique, en une séquence de rayons de fréquences équidistantes. Visuellement, l’on peut se représenter un faisceau laser qui, après avoir traversé ce dispositif, en ressort sous la forme d’une alignée de raies lumineuses successives situées toutes à la même distance les unes des autres car chacune d’une fréquence différente, à la manière des dents d’un peigne à cheveux. De par son caractère métrologique, cette structure spectrale peut servir, comme une règle d’écolier, à effectuer des mesures dans diverses applications optiques.
La découverte de ces peignes à fréquences optiques a valu le Prix Nobel de physique 2005 à ses auteurs, l’Américain John L. Hall et l’Allemand Theodor W. Hänsch. « Or, quand je suis arrivé en Allemagne, j’ai justement travaillé avec ce dernier, reprend Tobias Kippenberg. Comme à Caltech avec la découverte des écrits du physicien russe, j’ai donc à nouveau eu la chance d’être au bon endroit au bon moment, pour consolider une autre observation que nous avions faites avec nos microrésonateurs en forme de bouée. » En l’occurrence : la lumière laser qui en sort le fait aussi sous la forme d’une succession de rayons de lumière ! S’agissait-il également là d’un parfait peigne de fréquences optiques ? « Nous avons pu montrer que oui », répond le physicien. Mais avec un immense avantage à la clé : alors que le dispositif inventé par Theodor Hänsch pour produire ces peignes de fréquences nécessitait une table entière d’équipements optiques et beaucoup d’énergie, celui de Tobias Kippenberg tient dans une microstructure en forme de pneu plus petite qu’un cheveu !
Cerise sur le doughnut, son équipe a pu expliquer ce phénomène par des expériences de recherche fondamentale. Les vibrations du microrésonateur, induites par le laser incident, se retransforment en lumière en en sortant. « Or, entre-temps, cette lumière s’est auto-organisée de manière non-linéaire, explique le physicien. La lumière sortante n’est plus de nature continue, comme lorsqu’elle entre dans l’anneau, mais se voit convertie en pulsations très courtes, comme des ‘balles de lumière’, qu’on appelle ‘solitons dissipatifs’. C’est cela qui génère, à l’échelle micrométrique, ces peignes de fréquences optiques. »
Applications concrètes
Rapidement est apparu leur potentiel en termes d’applications très concrètes. Que ce soit dans les communications optiques, où plusieurs flux de lumière portant des informations, de fréquences proches mais différentes, peuvent circuler dans la même fibre optique. Ou en astronomie, pour calibrer les instruments spectrométriques devant analyser la lumière des exoplanètes, ces astres situés hors de notre système solaire. Et même dans la réalisation de nouvelles architectures d’ordinateurs dites « neuromorphiques », qui reproduisent le fonctionnement simultané et très plastique des milliards de neurones et accélèrent la puissance de calcul.
« Ce ne sont que des principes physiques présents dans la nature, et que nous avons pu simplement observer. C’est beau, et fascinant ! »
Revenant sur toutes ces découvertes, Tobias Kippenberg se souvient d’un conseil que lui avait donné l’un de ses directeurs de thèse à Caltech, le professeur israélien Amnon Yariv, alors qu’il réfléchissait à la suite à donner à sa carrière scientifique : « Quand vous faites quelque chose, faites quelque chose de très beau. Ou alors de très utile ! Mais pas entre les deux ! » L’aspect esthétique, le physicien estime l’avoir touché de près : « En fait, ce mariage entre les mondes de la physique classique et quantique, ces solitons, ces peignes de fréquences optiques : ce ne sont que des principes physiques présents dans la nature, et que nous avons pu simplement observer. C’est beau, et fascinant ! »
Quant à l’utilité de ses recherches, l’objectif est également assouvi, puisque Tobias Kippenberg a co-fondé, avec l’aide du montant du Prix Latsis, une start-up sur la base de ses découvertes, LIGENTEC SA, qui emploie aujourd’hui une septantaine de personnes sur le campus de l’EPFL et en France. « Au début, nous voulions uniquement commercialiser ces peignes de fréquences, explique-t-il. Mais nous nous sommes aperçus que le domaine de nos circuits photoniques intégrés de prochaine génération, consommant extrêmement peu d’énergie, était bien plus vaste ! » Au point que le professeur souhaiterait aujourd’hui étendre plus largement la palette des expertises dans son groupe de recherches, mais qu’il peine parfois à trouver le financement nécessaire : « La Suisse fait de gros efforts pour soutenir la science, souligne-t-il, mais surtout en finançant des projets et en fournissant un financement de base élargi. Mais une réelle transformation du système serait de pouvoir financer des personnes directement, pour une certaine durée, avec un montant substantiel, et avec une évaluation à la fin, comme ce qui est fait aux États-Unis notamment par le Howard Hughes Medical Institute (HHMI), un programme qui a connu un succès étonnant. » Selon lui, en Europe, les systèmes de financement existants imposent aux scientifiques de collecter plusieurs soutiens à divers projets, comme des perles sur un collier, afin de déployer des efforts à grande échelle. « En Suisse, un programme similaire à HHMI pourrait catalyser l’excellence de la recherche, dit-il, en particulier dans les domaines très coûteux et qui nécessitent des équipes plus importantes. » De même, cela permettrait de contribuer à transformer en réels avantages industriels le potentiel d’innovation pour lequel la Suisse sort souvent en tête des classements internationaux. Et Tobias Kippenberg d’illustrer qu’environ trois quarts des fonds utilisés par son groupe proviennent des États-Unis ou d’Europe ; sans cet argent non-suisse, ses recherches, en particulier celles sur les circuits photoniques intégrées, ne pourraient être menées.
L’importance de l’Europe de la recherche
Le physicien revient d’ailleurs avec émoi sur l’épisode récent qui a conduit à l’exclusion temporaire des scientifiques localisés en Suisse des programmes de recherches européens, comme Horizon ou Quantum Flagship. « Cela a laissé des marques dans mon laboratoire, dit-il. J’ai notamment perdu un projet dont nous étions les coordinateurs ainsi que de nombreuses autres opportunités de financement dans le domaine des sciences et technologies quantiques. Les mesures financières palliatives rapidement mise en place par le Fonds national suisse ont évidemment été bienvenues, mais elles n’ont pas compensé à long terme. » En 2020, il a déclaré au magazine en ligne européen Science|Business qu’il n’excluait d’ailleurs pas de quitter la Suisse si aucune solution n’était trouvée. Même s’il aurait fortement regretté de ne plus pouvoir y pratiquer ses loisirs favoris : la randonnée en montagne et le cyclisme, surtout sur les lacets des innombrables cols alpins.
« Suivez vos intérêts dans votre vie professionnelle. Mais ne vous attendez pas à ce que ce soit facile !»
Aujourd’hui, en 2025, la situation s’est améliorée, les scientifiques actifs en Suisse ayant regagné un accès à la plupart des programmes européens, mais pas à tous. De quoi rassurer pour l’instant Tobias Kippenberg, qui s’est établi à quelques minutes à pied du campus de l’EPFL, avec son épouse également chercheuse dans l’institution, et leurs deux enfants de quatre et un an. « C’est une chance », confie-t-il. Tout en gardant en tête la devise qu’il souhaite inculquer à ses deux fils : « Suivez vos intérêts dans votre vie professionnelle. Mais ne vous attendez pas à ce que ce soit facile !»
