C’est une partie de cache-cache lumineux que Joanna Krynski compte bien gagner. Au service Opto-Électronique de Détection (OED) du CNES, cette doctorante d’origine canadienne s’attaque à un défi de taille : mettre au point un détecteur de photons uniques. Derrière cette appellation technique se cache en réalité une technique minutieuse visant à détecter, mesurer et visualiser des signaux lumineux extrêmement faibles. Ses recherches dans ce domaine pourraient bien ouvrir la voie à une technologie innovante susceptible de révolutionner l’observation de la Terre, l’astronomie ou encore certains domaines de la médecine.

Depuis deux ans, la jeune femme mène en France une thèse financée par le CNES, sous la direction conjointe de l’agence spatiale française et de l’ISAE-SUPAERO. Son objectif : étudier le bruit (lire encadré des capteurs utilisant la technologie CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor), afin de rendre visibles des particules lumineuses jusqu’ici indécelables.

Voir là où la lumière manque

« En optique, les photons — ou quantas*  de lumière — sont la plus petite quantité d’énergie lumineuse pouvant être émise ou absorbée par la matière », explique Joanna Krynski. Dans ce contexte, parvenir à les compter revient à percevoir un signal*  extrêmement faible se confondant avec le bruit omniprésent dans le capteur. Cependant, les technologies actuelles ne le permettent pas encore : leurs images revêtent trop de fluctuations parasites. 

Des obstacles qui pourraient bien tomber avec les Quanta Image Sensors (QIS)*, sur lesquels travaille Joanna Krynski. En améliorant les procédés de fabrication et en identifiant précisément les sources de bruit résiduel, ces capteurs réduisent suffisamment les incertitudes pour garantir que le signal détecté correspond bien à un photon réel, et non à une erreur de lecture.

« Lorsque le photon arrive sur le détecteur, il est absorbé et son énergie crée un électron dans le silicium du capteur. L’enjeu de l’étude est de ne pas perdre cet électron lors des multiples conversions nécessaires pour faire émerger un signal numérique », résume la doctorante.

Des applications en imagerie spatiale…

Les perspectives ouvertes par l’étude de Joanna Krynski sont nombreuses. En optimisant les dispositifs pour la détection de particules, l'astronomie de basse lumière et l'imagerie quantique, elle apporte des solutions particulièrement prometteuses pour la recherche en orbite.

Aujourd’hui, les images d’observation terrestre utilisent quasi exclusivement la lumière du Soleil. La vision nocturne en haute résolution est encore limitée par le manque de luminosité. Équipées de QIS, les caméras des satellites évoluant en très basse orbite (entre 120 et 300 km d’altitude) pourraient ainsi accroître grandement leurs performances. 

Dans les expériences de physique fondamentale, certains événements lumineux sont d’une rareté extrême. Les manquer signifie attendre parfois des heures, des jours ou plus longtemps encore.
Des capteurs sensibles au photon unique pourraient devenir un allié stratégique pour l’astrophysique, la recherche d’exoplanètes, ou encore la quête de la matière noire.

Mais avant d’embarquer un dispositif sensible tel qu'un QIS à bord d’un satellite, il est crucial de s'assurer de la résistance de la technologie à l'environnement spatial. Pour cela, des tests rigoureux doivent être effectués au sol en amont. La scientifique a donc exposé plusieurs instruments à des rayonnements ionisants représentatifs des missions spatiales, avant de les soumettre à des contrôles minutieux.

…et en médecine de pointe

Les retombées potentielles de la photodétection dépassent largement le cadre de l’observation spatiale. En médecine, par exemple, l’imagerie moléculaire repose souvent sur des signaux lumineux très faibles, issus notamment de phénomènes de fluorescence, relate un article du CNRS. « En prenant des clichés de très haute résolution, les capteurs de type QIS pourraient permettre de révéler des phénomènes invisibles aujourd’hui et améliorer les diagnostics », illustre Joanna Krynski.

Si elles sont prometteuses, les recherches visant à détecter des photons uniques ne sont pas récentes. Elles datent même du début du XX_^e siècle. Alors pourquoi un regain d’intérêt aujourd’hui ? Parce que les capteurs d’image ont fait un bond considérable grâce… aux smartphones. «Les avancées massives de l’industrie mobile ont amélioré le design et la fabrication des capteurs CMOS. Cette montée en puissance technologique bénéficie aujourd’hui aux instruments scientifiques », explique la doctorante.

Résultat : des fabricants d’appareils destinés au grand public s’intéressent désormais sérieusement aux QIS. 

Un avenir déjà tourné vers l’innovation

Au sein du département OED du CNES, la jeune scientifique explique avoir pu évoluer dans un environnement réellement propice à la recherche et au développement.  « Cette collaboration étroite avec une agence spatiale est relativement atypique. Au Canada, il existe peu de thèses mêlant industrie et agence spatiale », souligne-t-elle. 

Bénéficiaire du programme de bourses d'études supérieures du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), Joanna Krynski a également vu ses travaux salués par Zonta International, une organisation américaine soutenant les femmes dans les sciences aérospatiales. Une reconnaissance qui a permis à la jeune femme d’intégrer le cercle restreint des lauréates de l'Amelia Earhart Fellowship, une bourse encourageant les femmes à poursuivre un doctorat dans un domaine où elles sont encore sous-représentées.

Au printemps dernier, la Canadienne a présenté ses travaux lors de l'International Image Sensor Workshop, l’un des plus importants forums techniques au monde, consacré exclusivement à la recherche, à la conception et au développement des capteurs d'image. Et ses travaux y ont fait l’unanimité du jury : Joanna Krynski a remporté à la fois le prix du meilleur article et celui de la meilleure présentation étudiante. En outre, les échanges avec les experts présents l’ont inspirée pour la suite de sa carrière.

Après sa thèse, Joanna envisage de poursuivre ses travaux dans un domaine lui permettant de développer et perfectionner de nouveaux capteurs. Et pourquoi pas, un jour, voir éclore les fruits de ses recherches dans un « smartphone du futur » capable de photographier le ciel nocturne comme en plein jour.

Initialement développée pour les activités scientifiques en laboratoire et dans le spatial, la technologie des QIS pourrait donc se retrouver demain dans nos appareils familiers. Une illustration supplémentaire de l'impact transformateur des sciences sur notre vie de tous les jours.