Trois appels à projets génériques retenus par l’ANR

La lumière est une onde électromagnétique qui voyage. En se déplaçant, elle produit des vibrations dans une certaine direction : on dit qu’elle est polarisée. Or nous nous sommes aperçus que, lorsque l’on focalise très fortement la lumière, la polarisation peut se faire en 3D, et non plus seulement en 2D. L’oscillation des vibrations apparaît alors plus complexe. 

Combinant les aspects théorique et pratique, notre projet, « 3D Polarisation : théorie et mesure », vise à démontrer que la polarisation 3D n’est pas une simple extension de la polarisation 2D. La première est bien plus intéressante que la seconde.

Le premier intérêt est d’apporter un formalisme théorique pour décrire la polarisation 3D : nous nous intéressons au comportement du champ électrique de la lumière fortement focalisée.
L’objectif est que ce formalisme théorique généralise l’élégance mathématique et géométrique de la théorie traditionnelle de la polarisation 2D. [NDLR : l’élégance est ici entendue dans son acception mathématique ; elle se dit de calculs ou de constructions tout à la fois simples et ingénieux.]

Lorsque l’on éclaire une molécule fluorescente, elle bouge sous l’effet de l’oscillation. La molécule absorbe la lumière tout en restituant la sienne propre. L’absorption dépend de l’orientation relative entre la molécule et la polarisation locale. L’émission, en revanche, a une distribution de polarisation qui dépend seulement de l’orientation de la molécule. 

Des techniques de microscopie avec super-résolution, supplémentées des nouveaux éléments optiques, nous permettent de récupérer facilement la polarisation et donc l’orientation 3D des molécules.

L’une des nouveautés de notre recherche est que nous envisageons d’utiliser, en lieu et place des molécules fluorescentes, des réseaux de particules d’or.
Ces dernières reflètent en effet de façon très simple la polarisation de la lumière qui les éclaire. Les images fournies par le microscope nous permettront de mesurer, avec une grande efficacité, la distribution spatiale de la polarisation 3D. 

Les fruits de cette recherche pourront donner lieu à des applications biomédicales. Ils permettront de mieux comprendre l’orientation des filaments de tissu, par exemple. 

Cela posé, l’intérêt de cette étude est aussi plus fondamental, puisque l’enjeu consiste à mieux comprendre le comportement de la lumière, en particulier de la polarisation. Or, en ce domaine, beaucoup reste encore à accomplir.

* L’Institut Fresnel est une unité mixte de recherche (UMR 7249) regroupant le CNRS, l’Université Aix-Marseille et Centrale Marseille. Ce projet est cofinancé par le Laboratoire ondes et matières d’Aquitaine (UMR 5798).

Baptisé SoundBrainSem, notre projet est porté par Bruno Giordano de l’Institut de Neurosciences de La Timone. Il porte sur l’étude des représentations cérébrales du son et sur la perception du son dans notre cerveau. L’objectif est de comprendre comment notre cerveau transforme des signaux acoustiques en représentations sémantiques de haut niveau. 

L’équipe d’apprentissage automatique QARMA, du Laboratoire d’informatique et systèmes, hébergée à l’École Centrale Marseille, apporte ses compétences en apprentissage automatique et en apprentissage profond, dans l’objectif de comparer, d’une part, des représentations computationnelles apprises par des réseaux neuronaux profonds et, d’autre part, des représentations cérébrales.

© Gabriel Gonzalez-Escamilla/Wellcome Collection
Cerveau d’un jeune adulte. L’hémisphère droit est une reproduction en 3D réalisée à partir de données issues d’un IRM.

Lorsque vous entendez un son, il est traité par votre cerveau et transformé en une représentation sémantique, une représentation chargée de sens sur laquelle nous pouvons raisonner.
Par exemple, vous passez à côté d’une route, et vous entendez un camion arriver. Votre cerveau traite ce son dans plusieurs aires cérébrales successives, jusqu’au moment où cette représentation devient sémantique. On passe de la seule acoustique à la représentation sémantique dès lors que vous pouvez interpréter le son comme celui d’un camion. 

* LIS, UMR 7020, partenaire de Centrale Marseille. Projet cofinancé par l’Institut des neurosciences de la Timone (UMR 7289), qui en est le coordinateur, et l’Institut de neurosciences et systèmes (UMR 1106).

Le projet a été baptisé Platun, pour Plasma Turbulence-Neutrals interaction in the edge of tokamaks
[NDLR : Interaction turbulence-neutres dans le plasma de bord des tokamaks. Un tokamak est une machine expérimentale conçue pour exploiter l’énergie de la fusion, dixit le site iter.org].
Il a pour objectif de développer des méthodes de modélisation numérique de l'interaction entre les neutres [NDLR : substances qui ne présentent aucun phénomène électronique ou magnétique], injectés dans le tokamak ou relâchés par la paroi, et la turbulence du plasma, dans le contexte de la fusion par confinement magnétique. 
Cette interaction donne lieu à des mécanismes atomiques et moléculaires qui interviennent dans le bilan de particules et d’énergie. Elle influence particulièrement le dépôt de chaleur sur les parois d’un tokamak, qui est un enjeu majeur pour le fonctionnement d'ITER.

Le projet repose largement sur l'intégration de la physique de l'interaction turbulence-neutres dans les outils de modélisation développés conjointement par l'Institut de recherche sur la fusion par confinement magnétique (CEA de Cadarache) et le M2P2. La problématique requiert des apports en physique des plasmas, physique atomique et mécanique des fluides numériques. Le projet s'appuie en outre sur les expertises des laboratoires PIIM, Laplace et de l’Institut Jean Lamour.

© Christopher Roux/Wikimedia Commons
Tokamak WEST (W – symbole chimique du tungsten – Environnement in Steady-State Tokamak) pris avec un objectif dit « fisheye », en œil de poisson.

Le projet a pour ambition principale de créer des méthodes numériques représentant fidèlement les phénomènes dans des codes 3D « premier principe », tout en ayant à l’esprit les exigences du Calcul Haute Performance pour une exploitation des codes sur les centres de calculs nationaux.
Cela nous permettra ensuite de confronter nos modélisations aux expériences, comme celles menées sur le tokamak WEST à Cadarache, à travers des simulations du « détachement » du plasma, par exemple. Ces simulations et leur comparaison à l’expérience nous permettront de progresser dans la perspective d'une modélisation prédictive des plasmas de fusion.

* Le M2P2 est une unité mixte de recherche (UMR 7340) regroupant l’Université Aix-Marseille, Centrale Marseille et l’Institut des sciences de l’ingénierie et des systèmes. Le projet est cofinancé par le CEA de Cadarache, qui en est le coordinateur, et les laboratoires Physique des interactions ioniques et moléculaires (Aix-Marseille/CNRS), Laplace (CNRS/Université Toulouse III) et l’Institut Jean Lamour (Université de Lorraine/CNRS).