Grande première mondiale ! Cette équipe scientifique est parvenue à « filmer » la transformation de la lumière en électricité

En Allemagne et en Autriche, des physiciens disent avoir capté, pour la première fois, les tout premiers instants où un rayon lumineux devient électricité.

Une équipe de chercheurs allemands et autrichiens a publié le 28 août 2026 dans la revue scientifique Physical Review X un résultat présenté comme une première mondiale, rapporte le média en ligne français Media24.fr : la « mise en film » des premiers instants où la lumière se transforme en courant électrique. Un moment clé, qui se joue en quelques centaines de femtosecondes seulement, au cœur des cellules solaires et de nombreux composants électroniques.

Filmer la naissance de l’électricité à partir de la lumière

Quand un rayon de lumière frappe un matériau, comme un panneau solaire ou une feuille en pleine photosynthèse, il apporte avec lui des photons, c’est-à-dire des grains de lumière. Ces photons transmettent leur énergie à certains électrons du matériau. Un électron excité quitte alors sa position habituelle et laisse derrière lui un vide, appelé « trou » par les physiciens.

L’électron et ce trou restent liés par une attraction électrique et forment un duo extrêmement fugace : l’exciton. Ce couple représente la toute première étape de la conversion de la lumière en électricité. Si l’exciton se sépare au bon moment, l’électron peut participer à un courant électrique. S’il se « referme » trop vite, l’énergie repart en chaleur perdue.

L’exciton se forme à l’instant même où un photon arrache un électron à sa place, et son destin décide si la lumière deviendra courant… ou simple chaleur dissipée.

Dans les cellules solaires et les écrans OLED, ce processus décide du rendement ou de la qualité d’affichage. Pourtant, explique l’article relayé par Media24.fr, la structure intime de l’exciton n’avait jamais été observée directement. On savait qu’il existait, mais on ne disposait pas de son « portrait » ni de sa dynamique précise.

Un film quantique image par image, comme un folioscope

Les chercheurs parlent de « film », mais il ne s’agit pas d’une vidéo classique. À ces échelles de temps, une caméra ne sert à rien. Les physiciens ont repris l’idée d’un folioscope, ce petit carnet dont on fait défiler les pages pour donner l’illusion d’un mouvement.

Le protocole repose sur deux impulsions laser ultrarapides :

• un premier flash crée l’exciton dans le matériau ;
• un second flash, légèrement décalé dans le temps et plus énergétique, éjecte l’électron hors du matériau, phénomène connu sous le nom de photoémission.

Une fois l’électron arraché, les équipes mesurent très précisément son énergie et la direction dans laquelle il s’échappe. À partir de ces données, et avec un modèle théorique sophistiqué, elles reconstituent l’état quantique dont il provient, donc la forme et la répartition de l’exciton à cet instant précis.

En répétant l’expérience de nombreuses fois, en décalant progressivement le délai entre les deux impulsions laser, les physiciens collectent une série d’« instantanés ». En les assemblant, ils obtiennent une séquence animée : une sorte de film de l’exciton en train de naître et d’évoluer dans la matière.

Cette approche, appelée tomographie de photoémission d’orbitales, a été développée au sein du groupe de Peter Puschnig, à l’université de Graz, en Autriche. Elle permet de transformer un nuage brut de données expérimentales en images lisibles de la fonction d’onde excitonique, un objet central de la mécanique quantique.

Ce que le film révèle sur l’exciton

Les expériences ont été réalisées sur un semi-conducteur organique bien connu des spécialistes : des films ordonnés de molécules d’alpha-sexithiophène (souvent abrégé 6T), alignées sur une surface de cuivre. Ce matériau sert de modèle pour de nombreuses études sur les cellules solaires organiques.

Les images obtenues montrent que, juste après l’absorption du photon, l’exciton s’étend sur environ trois molécules, soit autour de 1,5 nanomètre. Puis, en seulement 400 femtosecondes, sa taille se contracte d’environ 25 %. Le couple électron-trou semble se resserrer sur lui-même, comme s’il se réorganisait après le choc initial.

Une femtoseconde correspond à un millionième de milliardième de seconde. Pour donner un ordre de grandeur, il s’écoule autant de femtosecondes dans une seconde qu’il s’est écoulé de secondes depuis un passé bien antérieur aux dinosaures. C’est dans cette fenêtre temporelle vertigineusement courte que se décide le destin de l’énergie lumineuse.

Une collaboration entre trois laboratoires européens

Ce résultat repose sur une organisation en trois pôles, détaillée notamment par l’université de Graz dans son communiqué.

• À Jülich, en Allemagne, l’équipe de Stefan Tautz a préparé les échantillons de semi-conducteur organique. Ces films ultrafins de molécules d’alpha-sexithiophène ont été déposés sur une surface de cuivre et transportés sous vide pour conserver une qualité irréprochable. L’ordre quasi cristallin des molécules garantit un exciton suffisamment stable pour être étudié.
• À Marbourg, également en Allemagne, le groupe dirigé par Ulrich Höfer a réalisé les mesures de photoémission résolues en temps, à l’aide d’impulsions laser ultrarapides. Les chercheurs y ont analysé la distribution angulaire et énergétique des électrons émis.
• À Graz, en Autriche, l’équipe de Peter Puschnig a conçu le cadre théorique et les algorithmes de reconstruction. C’est ce travail qui permet de transformer les nuages de points mesurés en images spatiales et temporelles de l’exciton.

Sans le lien finement tissé entre expérience et théorie, les signaux d’électrons resteraient muets : la tomographie de photoémission sert ici de traducteur du langage quantique.

Selon les documents scientifiques cités par Media24.fr, ce résultat s’inscrit dans la continuité de travaux théoriques publiés dès 2023 dans Physical Review B, qui posaient les bases de cette « tomographie d’orbitales » appliquée aux excitons organiques.

Quelles applications pour les panneaux solaires et l’électronique ?

Comprendre, image après image, comment se forme et se contracte l’exciton n’a rien d’un simple exercice de style. Dans les cellules solaires, l’objectif est de maximiser la fraction de lumière réellement convertie en électricité. Or ce rendement dépend de plusieurs étapes :

• la création de l’exciton à l’absorption du photon ;
• la manière dont cet exciton se propage et se resserre ;
• la séparation finale de l’électron et du trou en charges libres.

Si l’exciton se contracte trop, il peut avoir tendance à se recombiner rapidement, ce qui dissipe l’énergie en chaleur. En revanche, une géométrie adaptée du matériau peut faciliter le moment où le couple se sépare, notamment dans des structures dites « donneur-accepteur », largement étudiées en photovoltaïque organique.

Les chercheurs du projet européen « Orbital Cinema » veulent désormais filmer cette étape suivante : le « divorce » réussi entre l’électron et le trou dans ces architectures complexes. Des images résolues dans le temps pourraient aider à comprendre pourquoi certains mélanges de molécules donnent d’excellents rendements, quand d’autres s’avèrent décevants, alors qu’ils absorbent pourtant très bien la lumière.

La situation en France : où en est la recherche sur les excitons ?

En France, la recherche en optoélectronique et en photovoltaïque organique mobilise de nombreux laboratoires du CNRS, du CEA ou encore d’universités comme Paris-Saclay, Strasbourg ou Grenoble. Les équipes y travaillent elles aussi sur les excitons, notamment dans les matériaux organiques, les pérovskites ou les semi-conducteurs bidimensionnels.

Les approches expérimentales ne sont pas toujours identiques à la tomographie de photoémission développée à Graz, mais la question scientifique reste proche : suivre la vie d’un exciton, de sa naissance à sa disparition, pour optimiser les dispositifs. En pratique, cela concerne :

• les cellules solaires organiques et hybrides, encore moins répandues que le silicium mais promises à des applications légères et flexibles ;
• les écrans OLED et les futurs écrans à base de matériaux nouveaux ;
• les composants pour l’optique quantique, où le contrôle d’un exciton unique peut servir à générer des photons sur demande.

Pour un lecteur français, l’intérêt de ces avancées allemandes et autrichiennes tient au fait que les connaissances circulent rapidement dans la communauté scientifique européenne. Les méthodes développées dans un pays se retrouvent ensuite utilisées ou adaptées ailleurs, y compris en France, où des plateformes laser ultrarapides et des installations de photoémission existent déjà dans plusieurs centres de recherche.

Femtoseconde, exciton, photoémission : quelques notions clés

La publication dans Physical Review X et les communiqués universitaires utilisent un vocabulaire très spécialisé. Quelques repères aident à mieux saisir l’ampleur de cette expérience :

• Femtoseconde : unité de temps égale à 10-15 seconde. Les lasers dits « femtosecondes » permettent de découper des processus ultrarapides en tranches temporelles extrêmement fines.
• Exciton : couple formé par un électron excité et un trou, lié par l’attraction électrique. Il transporte de l’énergie dans un matériau sans pour autant transporter immédiatement du courant.
• Photoémission : éjection d’un électron d’un matériau après absorption d’un photon suffisamment énergétique. En analysant ces électrons, on accède à la structure électronique du matériau.
• Semi-conducteur organique : matériau constitué de molécules à base de carbone, utilisé dans l’électronique souple, les écrans OLED et certaines cellules solaires.

Ces notions se retrouvent dans de nombreuses recherches en physique de la matière. L’originalité ici vient du fait que la fonction d’onde de l’exciton, c’est-à-dire la description complète de sa répartition dans l’espace et dans le temps, est reconstruite de façon expérimentale avec une finesse inédite.

Vers un « cinéma » des électrons dans la matière

Le projet européen « Orbital Cinema », mentionné par l’université de Graz, résume l’ambition de ces travaux : réaliser un véritable « cinéma » des électrons et des excitons, au ralenti extrême. Chaque séquence correspond à une nouvelle étape :

Pour l’instant, l’étude publiée dans Physical Review X couvre les 400 premières femtosecondes, sur un matériau modèle bien maîtrisé. Les physiciens comptent prolonger la séquence en s’attaquant à des structures plus complexes, proches des véritables dispositifs photovoltaïques commerciaux.

À terme, ces « films » pourront servir d’outils de diagnostic pour choisir rapidement les molécules ou les architectures les plus prometteuses avant même de fabriquer des prototypes complets. Un moyen de gagner du temps et d’accélérer la mise au point de cellules solaires organiques plus efficaces, y compris pour les industriels français ou européens qui travaillent sur ce créneau.

Hélène Vasseur

Lecture rapide : rédactrice en chef d’Eurotel, ancienne de l’hôtellerie, spécialiste des hôtels de caractère et des city-trips.

Hélène Vasseur a passé près de quinze ans dans l’hôtellerie avant de se consacrer à l’écriture. De la réception d’un palace lyonnais à la direction d’une maison d’hôtes, elle a appris à lire un hôtel de l’intérieur : ce qui fait une vraie adresse, et ce qui relève du décor.

Rédactrice en chef d’Eurotel, elle coordonne la ligne éditoriale et arpente l’Europe à la recherche d’hôtels de caractère et de destinations à raconter autrement. Sa conviction : on voyage mieux quand on comprend les lieux, pas seulement quand on les coche. Elle garde un faible pour les vieilles villes d’Europe centrale et les petits-déjeuners qui s’éternisent.