LES MACHINES D'AUJOURD'HUI ET DE DEMAIN

Dans cette vidéo, Albert Cohen montre les liens entre la science informatique et l'architecture des ordinateurs, donc leur conception. Il explique les outils logiciels permettant de profiter des performances des processeurs (du compilateur aux outils liés au système d'exploitation). Sur les processeurs classiques, il suffit de compiler (de traduire en langage machine) le programme pour l'exécuter et lui permettre d'accéder aux ressources de l'ordinateur. Sur les nouveaux processeurs, il y a une vraie rupture et les interactions entre architectures de machines et langages de programmation deviennent de vrais défis scientifiques passionnants. Un exemple est celui des langages de programmation pour le calcul parallèle à haute performance, jusqu'à péta-flopique (10^15 calculs numériques par secondes !).
Ce cours a été donné en juin 2010 lors des journées de formation à l'informatique organisées par l'INRIA à destination des professeurs de mathématiques d'Ile de France. Il est composé d'une heure et quart de cours et d'un quart d'heure de questions-réponses sur le cours.

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Des chercheurs réussissent à rendre des objets invisibles
Publié le 12-08-2008 à 10h03

Des scientifiques ont fait "disparaître" des objets grâce à des matériaux en trois dimensions capables de courber la lumière. Selon les chercheurs, rien n'empêche d'appliquer le même principe pour rendre invisible une personne.


Pour la première fois, des matériaux en trois dimensions capables de courber la lumière visible permettent de faire "disparaître" des objets, rapportent lundi 11 août les revues scientifiques Nature et Science.
Selon les chercheurs, qui ont mené leurs expériences sur des nano objets (1 nm = 1 millionième de millimètre), rien n'empêche d'appliquer le même principe pour rendre invisibles une personne, un char d'assaut, ou même un pétrolier.
Des scientifiques étaient déjà parvenu à dissimuler un cylindre de cuivre d'une dizaine de centimètres "illuminé" par un faisceau de micro-ondes, aux fréquences radar, invisibles pour l'homme. L'expérimentation était cependant limitée à deux dimensions.
L'équipe du Pr Xiang Zhang, à l'Université de Californie à Berkeley et au Laboratoire national Lawrence Berkeley, a, elle, réussi deux prouesses : travailler en lumière visible et sur trois dimensions.

Déviation de la lumière

Les nouveaux matériaux - ou "métamatériaux" - mis au point sont capables de produire ce qui est appelé un "indice de réfraction négatif", indispensable pour rendre les objets invisibles. Avec cet indice négatif, la lumière est déviée dans une direction contraire à la normale.
Les métamatériaux doivent courber la lumière autour de l'objet, de façon à le contourner et à se reformer derrière à l'identique, comme le fil de l'eau d'un torrent se reforme après avoir rencontré un rocher. La personne qui regarde ne voit plus de perturbation de la lumière et l'objet disparaît alors à ses yeux.
Une des applications les plus immédiates de ces métamatériaux pourrait être la construction de lentilles spéciales permettant de voir jusqu'à des virus ou des molécules d'ADN. Mais celle qui fait le plus rêver est le fantasme d'invisibilité des auteurs H.G. Wells dans "L'homme invisible" ou J.K. Rowling dans les aventures de Harry Potter.

Vif intérêt de l'armée américaine

Les militaires américains, qui participent au financement de ces recherches, sont également très intéressés par ces matériaux pour mettre au point une nouvelle génération d'armes furtives.
Les deux métamatériaux mis au point par l'équipe du Pr Zhang sont, pour l'un, une structure "en filet à poissons" obtenue en alternant des couches d'argent et de fluorure de magnésium, et pour l'autre un matériau en trois dimensions composé de nanofils d'argent intégré dans une gaine poreuse d'alumine, dix fois plus fin qu'une feuille de papier.
Ces métamatériaux, estime le Pr Zhang, "représentent un pas énorme vers le développement d'applications réalisables". "Ce qui fait qu'ils sont particulièrement spéciaux, c'est le fait qu'ils peuvent fonctionner pour un spectre étendu de longueurs d'onde, et sans perte importante d'énergie", a-t-il ajouté dans un communiqué.
Les chercheurs jugent néanmoins que le manteau de Harry Potter le rendant invisible n'est pas pour demain : les nouveaux matériaux sont en effet en métal et très fragiles, les produire industriellement serait donc un défi difficilement réalisable à l'heure actuelle.

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LA  THÉORIE  DE  L'INVISIBILITÉ

Des chercheurs allemands ont réussi à faire disparaître l'ombre projetée par un objet.

DIFFUS. Tout doucement, la quête de l'invisibilité se poursuit dans les laboratoires. Les chercheurs de l'institut de technologie de Karlsruhe, en Allemagne, viennent de marquer ce chemin d'un nouveau jalon.

Un dispositif de laboratoire

Leur équipe est parvenue à faire disparaître un objet grâce à un dispositif de laboratoire. Ils ont rempli un aquarium très étroit, aux vitres de plexiglas. À l'intérieur, un liquide blanc semi-transparent (mais en jaune sur le schéma ci-dessous). La lumière d'un projecteur, placé derrière l'aquarium, filtre de manière diffuse à travers ce liquide laiteux comme le font le faisceau des phares d'une voiture dans le brouillard.

Mais lorsque le cylindre est recouvert d'un revêtement fait d'un silicone transparent et contenant des microparticules d'un composé chimique appelé mélamine, les chercheurs ont constaté que la lumière circulait alors plus rapidement autour du cylindre, ce qui provoquait la disparition de l'ombre qu'il projette. Autrement dit, le cylindre devient alors invisible pour l'expérimentateur.

Le dispositif expérimental de l'institut de technologie de Karlsruhe. Les rayons lumineux rebondissent dans toutes les directions sur les particules que contient le liquide laiteux (cf loupe) avant de sortir du réservoir. Un cylindre blanc (à gauche) laisse une ombre sur la paroi dans ce dispositif. En revanche, s'il est recouvert d'un matériau qui accélère le passage de la lumière autour de lui, cette ombre disparaît (cylindre de droite). Crédit : R. Schittny / KIT.

La théorie de l'invisibilité

Les chercheurs sont donc bien parvenus à courber les rayons lumineux. Ce qui constitue la base du principe de l'invisibilité. En effet, si vous placez un objet (disons une tasse à café) devant votre regard, celle-ci, très logiquement, vous bouche alors la vue. En effet, une partie de rayons lumineux sont bloqués par la tasse avant d'atteindre votre rétine.

CONTOURNER. Mais si ces rayons lumineux parvenaient à contourner la tasse au lieu de venir rebondir sur elle, puis à poursuivre leur chemin en ligne droite vers votre œil, alors, vous pourriez percevoir le décor qui se trouve derrière. Et la tasse deviendrait alors invisible.

Ce procédé de déviation des ondes lumineuses, de nombreuses équipes de chercheurs à travers le monde cherchent à le mettre au point.

Une série d'expériences de plus en plus complexes

En 2006, des chercheurs américains de l'université Duke, en Caroline du nord, sont ainsi parvenus à faire "couler" des ondes lumineuses autour d'un anneau en cuivre.

Mais le procédé ne fonctionne qu'avec des micro-ondes. Et si l'observateur se déplace même de manière infime, l'anneau invisible réapparait aussitôt à sa vue.

L'année suivante, une équipe mixte de l'université d'État de l'Iowa et de l''université de Karlsruhe en Allemagne parvient à une performance similaire dans le spectre visible cette fois : avec lumière dont la longueur d'onde correspond au rouge. Mais là encore, l'observateur ne doit pas bouger d'un iota.

Des métamatériaux pour dompter la lumière

En 2010, cette même équipe allemande alliée aux chercheurs de l'Imperial College de Londres fait cette fois un pas de géant. Ils parviennent à rendre invisibles des objets quelle que soit la position de l'observateur dans des longueur d'onde allant de 1,5 à 2,6 micromètres. Et ce grâce à des "métamatériaux" fabriqués sur mesure, aux propriétés optiques très complexes.

CAPE. Cette nouvelle expérience de l'institut de technologie de Karlsruhe qui fonctionne dans le spectre visible et quelle que soit la position de l'observateur est, finalement, un pas de plus vers la mise au point d'une véritable cape d'invisibilité...

 
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CONTRÔLER  LA  LUMIÈRE  POUR  DEVENIR  INVISIBLE

Comment rendre un objet invisible? En évitant que la lumière viennent frapper sa surface grâce à une sorte de bouclier ou de cape ayant un ‘’trou noir’’ en son centre, expliquent plusieurs physiciens. L’équipe de John Pendry (Imperial College London, GB) d’un côté, Ulf Leonhardt (University of St Andrews, Ecosse) de l’autre, ont calculé les propriétés du matériau nécessaire pour faire tourner les rayons lumineux autour de cette zone centrale*.

Cela revient à faire ‘’couler’’ les ondes électromagnétiques comme l’eau autour d’un galet, expliquent John Pendry et ses collègues de la Duke University (USA). La lumière doit contourner une zone et repartir de l’autre côté sans montrer aucune perturbation. Pour cela les chercheurs comptent sur la mise au point de ‘’méta-matériaux’’, des structures artificielles qui permettent de contrôler la propagation de la lumière ou d’autres ondes. Un concept qui a déjà fait l’objet de calculs théoriques (lire ci-contre «La difficile quête de l’invisible»). Reste à le concevoir.

Les chercheurs de la Duke University y travaillent. Ils sont en partie financés par le DARPA, l’agence du Pentagone, forcément intéressé par la possibilité de soustraire un objet à certaines ondes. A moyen terme, d’ici 2 à 5 ans, des ‘’boucliers d’invisibilité’’ pour les ondes radios pourraient fonctionner. Pour les ondes lumineuses, c’est une autre histoire.

Pour l’instant, ce système théorique n’est valable que pour certaines longueurs d’ondes. De plus, la taille du dispositif doit être adaptée à celle des ondes. Pour la lumière visible cela signifie qu’il faudrait mettre au point des méta-matériaux à l’échelle nanoscopique.

Cécile Dumas
(29/05/06)

*Articles publiés cette semaine dans ScienceXpress.

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