Herbert Kroemer : Le physicien qui a conçu des dispositifs impossibles

En 1963, alors qu'il travaillait chez Varian Associates à Palo Alto, Herbert Kroemer a proposé un laser composé de couches intercalées de différents semi-conducteurs. Personne ne pouvait le construire. Les techniques de croissance cristalline nécessaires n'existaient pas et ne verraient pas le jour avant des années. Il l'a proposé quand même. Six décennies plus tard, le laser à double hétérostructure est la source lumineuse utilisée dans les réseaux de fibre optique, les lecteurs CD et, comme l'a souligné son collègue de l'UCSB John Bowers, le dispositif qui a « permis l'Internet, transformant le monde ».

De Weimar à Göttingen

Il est né le 25 août 1928 à Weimar, dans un foyer sans aucune tradition académique : son père était fonctionnaire, sa mère femme au foyer, et aucun des deux n'avait terminé ses études secondaires. L'Allemagne s'est effondrée pendant son adolescence, et il en est sorti pour se tourner vers la physique. À l'Université de Göttingen, il a obtenu un Diplom en 1951 et un doctorat en physique théorique en 1952, rédigeant une thèse sur les effets des électrons chauds dans les transistors — un sujet qui n'avait que cinq ans lorsqu'il l'a choisi, le transistor lui-même ayant été annoncé en 1947. C'était le premier signe d'une habitude qui durerait toute sa vie : s'attacher à des technologies avant même qu'elles ne soient stabilisées.

Une décennie agitée dans l'industrie

La vingtaine et la trentaine de Kroemer ont été passées à naviguer entre des laboratoires industriels sur deux continents, un parcours qui semble dispersé jusqu'à ce que l'on remarque qu'il a continué à travailler sur la même idée. Il a commencé en 1952 au laboratoire de recherche en télécommunications des services postaux allemands à Darmstadt. Au milieu des années 1950, il est passé aux laboratoires RCA à Princeton, dans le New Jersey. De 1957 à 1959, il a travaillé au laboratoire de recherche Philips à Hambourg. En 1959, il a rejoint Varian Associates à Palo Alto et y est resté pendant la décennie qui a produit ses travaux les plus marquants.

En chemin, il a inventé le transistor à dérive, un dispositif utilisant un profil d'impuretés gradué pour pousser les porteurs à travers la base plus rapidement que ne le permettait la simple diffusion. C'était le début d'une idée qu'il passerait toute sa carrière à développer : on pouvait concevoir le paysage interne d'un semi-conducteur pour forcer les électrons à se comporter de manières que la nature n'avait pas prévues.

Le transistor qui nécessitait deux matériaux

Chez RCA, Kroemer a élaboré le concept du transistor bipolaire à hétérostructure. Les dispositifs semi-conducteurs conventionnels sont construits à partir d'un seul matériau — le silicium, dopé différemment selon les régions. La proposition de Kroemer consistait à joindre deux semi-conducteurs différents, de sorte que le changement abrupt de bande interdite à l'interface agisse lui-même comme une force sur les porteurs, un champ quasi-électrique ne nécessitant aucune tension externe. Au milieu des années 1950, il a identifié les avantages de performance spécifiques que cela apporterait. L'argument était théoriquement propre et pratiquement prématuré ; la science des matériaux nécessaire pour créer des jonctions atomiquement nettes entre des cristaux dissemblables était encore à des décennies de distance.

Un laser que personne ne pouvait construire

La proposition de double hétérostructure de 1963 était la même logique appliquée à la lumière. Confiner à la fois les porteurs et les photons dans une fine couche active entre deux couches de revêtement à bande interdite plus large, argumentait Kroemer, permet d'obtenir un laser capable de fonctionner en continu à température ambiante plutôt que par impulsions cryogéniques. C'était le principe de conception qui a fait du laser à semi-conducteur un objet utilisable plutôt qu'une curiosité de laboratoire. Zhores Alferov, travaillant indépendamment à Leningrad, a exploré le même domaine ; en 2000, les deux hommes ont partagé le prix Nobel de physique « pour le développement d'hétérostructures semi-conductrices utilisées dans l'optoélectronique et l'électronique à haute vitesse ».

En 1964, Kroemer a publié la première explication correcte de l'effet Gunn, le mécanisme à l'origine des oscillations électriques à haute fréquence dans certains semi-conducteurs — un autre exemple où il a atteint la physique avant que le domaine ne se soit mis d'accord sur la question.

Santa Barbara et le pari des composés

Il est entré dans le milieu universitaire en 1968 en tant que professeur de génie électrique à l'Université du Colorado à Boulder, et en 1976, il a rejoint l'Université de Californie à Santa Barbara, où il a occupé la chaire Donald W. Whittier en génie électrique avec une nomination conjointe en science des matériaux. Là, il a fait un pari institutionnel aussi anticonformiste que ses paris scientifiques : il a persuadé un département d'investir dans les semi-conducteurs composés — l'arséniure de gallium et ses dérivés — plutôt que dans le silicium qui dominait tout. Il a été le premier membre de ce qui est devenu un groupe de renommée mondiale. Il est également devenu expérimentateur sur le tard, pionnier de l'épitaxie par jet moléculaire à l'UCSB et l'appliquant à des systèmes de matériaux que personne n'avait essayés, construisant enfin les interfaces atomiquement précises que sa théorie des années 1950 avait supposées. Il a pris sa retraite en 2012.

Enseignant, auteur de manuels, gentleman

Kroemer a écrit deux manuels d'une clarté inhabituelle : Thermal Physics, dont il a produit la deuxième édition avec Charles Kittel en 1980, et Quantum Mechanics for Engineering, Materials Science and Applied Physics. Ses collègues se souvenaient d'un homme doté d'un sens de l'humour aiguisé, capable de discuter de physique avec un visiteur de l'école primaire aussi facilement qu'avec un étudiant diplômé, et qui posait des questions difficiles lors des séminaires sans jamais donner l'impression que la réponse était un verdict. Le doyen Umesh Mishra l'a comparé à un gourou au sens indien du terme — quelqu'un qui transmet « la morale, l'éthique, le leadership, la grâce et la générosité » en plus du contenu technique. Shuji Nakamura a crédité le concept d'hétérostructure de Kroemer pour avoir permis sa propre invention de la LED bleue. Kroemer est devenu citoyen américain naturalisé en 2003 et était un athée franc : la religion, disait-il, n'était « que de la pensée magique ».

Pourquoi Herbert est qualifié de génie

La faculté distinctive ici est la physique des dispositifs anticipatoire : la capacité de raisonner correctement sur le comportement d'une structure qui ne peut pas encore être fabriquée, et de faire confiance à ce raisonnement pendant vingt ans pendant que tout le monde attend des preuves. Kroemer a décrit lui-même cette disposition, sans fausse modestie et sans prétendre au génie : « Dès le début, j'ai toujours été intéressé par des choses qui avaient plusieurs générations d'avance sur ce que les gens pouvaient faire. Les petits pas ne m'intéressaient pas vraiment. Je m'intéressais aux grands pas. » Ses conseils à ses jeunes collègues en découlaient : travaillez sur ce qui vous intéresse, ignorez les applications, soyez opportunistes.

Ce que les faits confirment réellement, c'est le jugement plutôt que la puissance de traitement brute. À trois reprises — le transistor à hétérojonction, le laser à double hétérostructure, l'effet Gunn — il a identifié le bon principe physique des années avant la communauté et avant la technologie. C'est un taux de réussite rare, et c'est la raison pour laquelle le comité Nobel, le jury de la médaille d'honneur de l'IEEE en 2002 et l'État allemand avec sa Grande Croix de l'Ordre du Mérite ont fini par être d'accord.

Le contre-argument est honnête et mérite d'être énoncé. Kroemer n'a pas construit le laser pour lequel il est célèbre ; le groupe d'Alferov et les laboratoires industriels ont réalisé la croissance cristalline qui l'a rendu réel, et Alferov a partagé le prix pour une bonne raison. Les idées qui ne peuvent pas être testées pendant deux décennies sont bon marché à générer et coûteuses à valider, et le dossier de Kroemer inclut des propositions qui n'ont compté que parce que d'autres ont eu la patience de les réaliser. Ses collègues ont plus souvent utilisé les termes « gentleman » et « gourou » que « génie ». Le verdict équitable est qu'il possédait une intuition physique inhabituellement fiable et le courage de la publier tôt.

Héritage

Chaque liaison par fibre optique, amplificateur de puissance de téléphone mobile, émetteur satellite et ampoule LED fonctionne selon le principe que Kroemer a défendu alors que personne ne pouvait le mettre en œuvre : concevoir le paysage de la bande interdite à l'intérieur d'un dispositif est plus puissant que de concevoir le dispositif autour d'un seul matériau. Il est décédé le 8 mars 2024 à Santa Barbara, à l'âge de 95 ans, ayant vécu assez longtemps pour voir un monde se construire à partir de ses sandwichs.