Willard S. Boyle Physique condensée de matière, cristaux, aimants, supraconducteurs, semi-conducteurs

Co-inventeur du capteur photographique

"Sachez juger quand il faut persévérer et quand il faut s’arrêter. Si vous faites quelque chose, faites-le bien. Il n’est pas nécessaire d’être le meilleur de tous, mais vous devriez faire du mieux que vous pouvez."

L'histoire

Dddddddrrring, ddddrrring. C’est encore ce foutu vidéophone. Ce genre de gadget n’aura jamais aucun succès, pense Willard Boyle tout en se tortillant dans sa chaise pour essayer de trouver une position confortable avant de répondre. Il ne se place pas en face de la caméra: l'heure est trop matinale pour être vu, et Boyle sait qui téléphone — son patron, Jack Morton, chef de la recherche de pointe aux Laboratoires Bells dans le New Jersey, le père de l'électronique transistorisée.

Il est environ 8:30 du matin, une magnifique journée du début d'octobre en 1969. Par la fenêtre, Boyle a une vue magnifique sur les collines; les feuilles n’ont pas encore adopté leurs couleurs automnales. Boyle possède un grand bureau dans le centre de recherche et laboratoire d’idées de Bell, réputé dans le monde entier. Quinze années d’inventions brillantes, y-compris le premier laser à rubis à faisceau continu, l’ont élevé au rang de directeur exécutif du développement des appareils aux Laboratoires Bell. Mais il a toujours un patron, un patron très exigeant, qui l’appelle tous les matin sur cet agaçant vidéophone Bell. À contrecœur, Doyle prend l’appel:

“Boyle?”

“Bonjour, Jack.”

“Alors que c’est-il passé hier ?” toujours la même question.

Boyle se laisse glisser un peu plus dans sa chaise.

“Je ne peux pas te voir, Bill,” dit Morton.

“Je suis bien là, Jack.”

“Alors, qu’est-ce que vous avez fait hier?”

“Et bien, toujours un peu la même chose. Nous sommes toujours en train de travailler sur ces nouveaux transistors,” répond Boyle.

“Écoute, Bill, les autres sont en train de faire un boulot fantastique sur ces bulles magnétiques. C’est incroyable. Qu’est-ce que vous êtes en train de fricoter aux semi conducteurs? Laissez tomber les transistors. Essayez de nous trouver quelque chose de nouveau. Je rappellerai demain.” Puis il raccroche.

Boyle réfléchit à cette question pendant un moment, puis appelle un autre physicien, George Smith, dont le bureau se trouve plus loin dans le couloir, afin de lui demander de passer après le déjeuner. Pendant le reste de la matinée, Boyle travaille sur d’autres questions.

Après le déjeuner George vient rejoindre Boyle dans son bureau et ils s’attellent à une séance de remue-méninges au tableau noir. Ils travaillent sur une idée permettant de manipuler de petites poches de charge dans une matrice silicone, d'une façon similaire à la technique populaire permettant de déplacer de microscopiques bulles magnétiques autour d'autres types de matériaux. Ils se lancent dans des calculs mathématiques et dessinent quelques schémas au tableau, afin de voir comment ce nouvel appareil pourrait être fabriqué. Après environ une heure et demie Boyle déclare: “Ok, ça n’est pas trop mal.”

“On devrait lui trouver un nom” ajoute Smith.

“C’est un nouveau type d’appareil, ça n’est pas un transistor, c’est complètement différent,” dit Boyle.

“Il a une charge. Et nous allons faire bouger la charge grâce à un couplage de puits de potentiel,” déclare Smith.

“On n’a qu’à l’appeler un dispositif à couplage de charge,” dit Boyle.

“OK, ‘dcc.’ Ça sonne plutôt bien.”

Les chercheurs et les autres collègues ricanèrent de l'idée de Boyle et Smith, en disant que ça ne marcherais jamais. Rappelez-vous qu’à ce point il ne s’agissait que d’une théorie, un imbroglio d’équations et de diagrammes sur un tableau noir. Mais le duo décida de porter les plans à l’atelier situé au bout du couloir afin d'essayer de fabriquer l'appareil. Quelques mois plus tard l’appareil était prêt et fonctionnait exactement comme prévu.

Peu de temps après, Boyle présenta un article sur l’invention du « dcc » à une conférence à New York, qui était consacrée à « L’avenir des circuits intégrés ». Comme il le dit lui-même, ceci fut le « début du cirque ». Le téléphone commença à sonner, Boyle reçut un grand nombre d'appels de personnes et de sociétés impatientes d'en apprendre plus. L'un des appels provenait du patron de Boyle, Jack Morton.

« Et bien, j’imagine qu’après tout cet espèce de semi-conducteur a de l’avenir » déclara Morton, et ce furent là toutes les félicitations que Boyle reçut jamais de lui.

Dans les années qui suivirent, Boyle et Smith continuèrent à recevoir de nombreuses récompenses pour cet appareil, qui se trouve aujourd’hui au cœur de pratiquement toutes les caméras vidéo, appareils photo digital et télescopes utilisés à l’heure actuelle.

Les contributions majeures de Boyle comprennent le premier laser à rubis à fonctionnement continu, qu’il a inventé avec Don Nelson en 1962. Le rubis fut le premier matériau jamais utilisé pour produire un rayon laser, et les lasers au rubis sont maintenant utilisés pour effacer les tatouages, entre autres choses. Avant l’invention de Boyle, les lasers ne pouvaient émettre que de courtes impulsions lumineuses. On lui a aussi accordé le premier brevet (avec David Thomas) pour la proposition d’un laser à injection à semi-conducteur. Ce type de lasers à semi-conducteur est à la base de tous les lecteurs et enregistreurs de disques compacts (cd), mais au moment où Boyle fit breveter son idée, personne n’avait encore pensé aux disques compacts. Les disques stéréo haute-fidélité représentaient alors le summum de la technologie.

En 1962 Boyle devint le directeur de la science de l’espace et des études exploratoires chez Bellcomm, une filiale de Bell fournissant un support technologique au programme spatial Apollo de la Nasa américaine. Pendant cette période où il travailla pour la NASA, Boyle aida à déterminer l’emplacement où les astronautes devraient atterrir sur la Lune. En 1964 il retourna chez Bell Labs, où il passa de la recherche au développement d’appareils électroniques, plus particulièrement les circuits intégrés, qui sont maintenant des éléments essentiels dans les télécommunications et l’électronique en général.

En dépit de toutes ces réalisations impressionnantes, Boyle doit surtout sa célébrité à l'invention du dcc. Le dcc peut, en plus de son utilisation comme capteur d’images, être aussi utilisé comme mémoire d'ordinateurs, filtre électronique et processeur de signaux.Willard Boyle (L) and George Smith demonstrating one of the first CCD cameras (1975) Les dccs utilisés en guide de systèmes imageurs ont révolutionné l’astronomie; l’immense majorité des télescopes de grande taille, y-compris le télescope de l’espace Hubble, utilisent les dccs parce qu’ils sont 100 fois plus sensibles que les films photographiques et permettent d’enregistrer une gamme de longueur d’ondes de la lumière beaucoup plus large. Les dccs ont permis la création d’industries entièrement nouvelles comme celle des magnétoscopes et des caméras vidéo. Boyle et Smith continuent à recevoir des récompenses pour leur invention.

En 1975, Boyle retourna à la recherche en tant que directeur exécutif de la recherche des Laboratoires Bell Lab, à la division des Sciences de la communication dans le New Jersey. Il y fut responsable de quatre laboratoires jusqu’à sa retraite en 1979. Depuis ce moment, il est actif au sein du conseil de la recherche de L’Institut Canadien de la Recherche avancée ainsi que du Conseil de la Science de la province de Nouvelle Écosse.

As a young scientist...

À la fin des années 1920, quand Boyle avait à peu près trois ans, sa famille déménagea de Nouvelle Écosse au Québec, où son père était le médecin en charge d’une communauté de bûcherons appelée Chaudiere, située à environ 350 kilomètres au norde de la ville de Québec. Au lieu d’avoir une voiture, ils se déplaçaient dans les environs dans une luge tirée par des chiens. Boyle n'allait pas à l'école, mais fut scolarisé à la maison où sa mère lui servit de professeur jusqu'à l'âge du lycée.

The log cabin where Boyle spent his childhood

Un soir, Boyle devait avoir à peu près 8 ans, son père lui demanda de sortir dehors pour nourrir les chiens de traîneau. Les chiens faisaient un vacarme épouvantable en aboyant, et c’est pourquoi ils étaient logés dans un chenil à une centaine de mètres de la maison. Boyle fut équipé d’une grosse parka, on lui donna un seau de nourriture pour chien et une petite lampe à pétrole, et on l’envoya dehors, dans la nuit sombre et froide. Il y avait beaucoup de neige, de nombreux arbres, le ciel était absolument noir, on ne voyait ni la lune ni les étoiles. Il n'y avait ni électricité ni lumières. « C’était absolument terrifiant de se trouver là dehors, dans ce petit cercle de lumière provenant de ma lampe à pétrole, entouré de cette obscurité froide et vide » raconte Boyle. « J’avais l’impression d’être absolument seul au monde, et pour me sortir de cette situation, il faudrait le faire complètement seul. » Il accomplit sa tâche sans encombres, mais cette peur primale qu’il ressentit cette nuit-là ne le quitta plus pour le reste de ses jours.

Arrivé à l’âge de la 9ème classe, il alla au Lower Canada College, une école privée située à Montréal. Le contraste entre sa vie précédente aux fonds des bois et sa nouvelle vie avec les enfants de la grande classe était saisissant, mais Boyle devint un très bon élève, en partie grâce aux nombreux livres qu’il avait lu sous la houlette de sa mère. Une fois l’école secondaire finie, Boyle s’engagea dans la Marine Canadienne pour se battre dans la Deuxième Guerre Mondiale, mais il s’aperçut qu’il avait le mal de mer et posa donc sa candidature à l'aviation aéroportée de la Marine. Spitfire Il fut envoyé en Angleterre pour y apprendre comment atterrir avec un avion de chasse Spitfire sur le pont d'un porte-avions. Boyle avait environ 19 ans quand il se retrouva aux commandes d'un avion au sein d'un petit escadron comprenant 3 autres Spitfires; après plusieurs semaines passées à s’entraîner à atterrir sur une piste traditionnelle où était peint le pont d’un porte-avions imaginaire, les jeunes pilotes durent s’essayer à un véritable atterrissage sur un porte-avions en mer. Depuis les airs, Boyle vit ses amis s’écraser l’un après l’autre sur le pont, ou manquer complètement la zone d'atterrissage pour s'abîmer en mer. Heureusement, personne ne fut blessé.

 

C’était maintenant le tour de Boyle. Il repensa à cette nuit glaciale dans les bois, et se dit à lui-même « Et voila, tu es tout seul ici aussi. Personne ne viendra t'aider. Alors, débrouille-toi tout seul. » Il effectua un tour pour se mettre en approche finale, commença sa descente et se dirigea directement vers les larges bandes blanches dessinées sur le pont. Personne ne fut plus surpris que Boyle de réussir un atterrissage un peu secoué mais passable. Il arrêta le moteur, ouvrit le toit du cockpit, enleva son casque et commença à descendre de son avion quand son commandant se dirigea vers lui en hurlant "Mais qu'est-ce que vous faites, Boyle?!"

"J"ai atterri ! » s’écria Boyle triomphalement.

« Remontez immédiatement dans ce cockpit et décollez, officier. Vous devez faire sept atterrissages de plus si vous souhaitez vous qualifier ! »

Boyle termina consciencieusement sa formation de pilote, mais la guerre se termina peu de temps après et il ne prit jamais part à aucun combat réel. Il reprit ses études, obtint son doctorat en 1950, et trois ans plus tard commença à travailler aux laboratoires Bell.

La science

La branche de Boyle de la science s'appelle physique solide ou la physique condensée de matière, et elle comporte le comportement des matériaux qui sont pleins - des choses telles que des cristaux, des métaux et des roches. En particulier, il a travaillé aux matériaux semi-conducteurs tels que le silicium d'élément. Il a inventé beaucoup de choses tandis qu'aux laboratoires de Bell, mais son invention plus célèbre était le dispositif ou le CCD à couplage de charge.

How a CCD (Charge Coupled Device) works. Click to enlarge.

1. Au cœur de nombreuses caméras et appareils photos (de type digital) on trouve un dcc, qui mesure en général un centimètre carré.

2. La lumière pénètre par la lentille de la caméra sous la forme de photons, et elle tombe sur la surface de la puce dcc, souvent après être passée par une série de filtres couleurs. Ce processus génère l’apparition d’électrons libres dans le silicium du dcc; plus la lumière est forte plus les électrons sont nombreux, plus la lumière et faible plus leur quantité diminue. Ces électrons se rassemblent en petits paquets générés par la géométrie du silicium et de la circuiterie électrique qui l’entoure, alignés sur une grille à deux dimensions placée sur la puce. Les puces de dcc typiques possèdent de un à cinq millions de ce type de paquets de charge, qu’on peut aussi s’imaginer sous la forme de seaux placés sur un tapis roulant, servant à ramasser la pluie (c'est-à-dire les photons de lumière.)

3. Le dcc fonctionne selon le principe du couplage de charge. Le paquet d’électrons chargés peut être déplacé une rangée à la fois, en modifiant le voltage des rangées adjacentes, et en créant de ce fait un puit de potentiel qui accouple deux rangées et fait passer la charge de l’une à l’autre.

4. Chaque seau (paquet) contient une quantité d’eau différente (charge), selon la quantité de pluie est tombée sur cette partie du réseau de filtres. Les seaux sont déplacés de manière ordonnée vers une rangée de collecte, puis vers un appareil de mesure final à l’avant. De cette façon la quantité d’eau dans chaque seau est comptée. Dans un dcc typique, ce processus peut être très rapide : environ 30 fois par seconde pour chacun des millions de « seaux » sur le dcc.

Les dccs modernes disposent de filtres de couleur (rouge, vert, bleu) arrangé selon un dessin au dessus de la puce, afin que les images en couleur puissent être collectées. Le produit du dcc est une chaîne de nombres qui définit l’intensité et la couleur de la lumière sur la totalité de l’image. Un ordinateur ou une caméra vidéo peuvent stocker ces nombres ou les utiliser pour recréer l’image sur n’importe quel écran de visionnage ou sur une imprimante. For more on how a CCD works visit the Molecular Expressions website.

Ces dernières années, des systèmes imageurs complémentaires utilisant un semi conducteur metal oxide (cmos) remplacent les puces dcc dans certains appareils d’imagerie. Ces systèmes ne sont pas basés sur la technologie du dcc mais sont des réseaux rectangulaires de pixels adressables individuellement. Ce système cmos est la technologie dominante dans l’ensemble de la fabrication de puces, c’est pourquoi les capteurs d’images basés sur ce principe sont moins chers à fabriquer. De plus, un circuit d'assistance peut être incorporé sur le même appareil en un seul processus de fabrication. Les capteurs cmos ont aussi l’avantage de consommer moins d’énergie et possèdent une plus grande sensibilité à l’infrarouge (ou imagerie par chaleur) que les dccs. Cependant, pour les appareils photo et caméras haut de gamme, on préfère toujours utiliser un dcc parce qu’il permet d’obtenir des images plus nettes et plus « propres » dans la plupart des applications photographiques.

Mystery

Boyle s’attend à ce que de nombreux mystères cosmologiques soient résolus grâce à la puissance supérieure d’imagerie des dccs, qui sont maintenant utilisés dans la plupart des télescopes. « Nous allons assister à une bien plus grande compréhension de l’origine de notre univers, en ayant la possibilité de voir des choses éloignées de huit milliards d'années lumière » déclare t’il. « Le plus grand de tous les mystères est celui de l’origine de notre univers. »

Pour en savoir plus

James R. Janesick, Scientific Charge-Coupled Devices, SPIE Press Monograph, vol. PM83, 2001.

Site Internet des Laboratoires Bell.

Carrière

Alors comme ça, vous voulez devenir physicien

Les études pour devenir physicien durent aussi longtemps que pour toute autres professions libérales, comme médecin ou avocat — environ 10 ans de formation. Il existe de nombreuses opportunités de carrière pour les physiciens, elles sont bien plus nombreuses que ce que nous imaginons traditionnellement. Un parfait exemple est l’analyse des marchés boursiers par des physiciens théoriciens — ce qui est aussi une manière potentielle de gagner beaucoup d’argent. Les physiciens peuvent appliquer leur connaissance des mathématiques et du comportement des systèmes physiques pour obtenir des informations sur les marchés financiers, la biologie, la médecine, les interactions entre différents médicaments et de nombreux autres phénomènes dans le monde qui nous entoure.

Le salaire horaire moyen d’un physicien est en général plus élevé que le salaire national moyen, et il est aussi au dessus de la moyenne des professions dans les secteurs des sciences naturelles et appliquées. Les salaires des professions libérales dans les sciences physiques ont augmentés plus rapidement que la moyenne dans les années passées. Le taux de chômage a diminué durant les années 90 et au début des années 2000, il est d’environ 2% à l’heure actuelle, autant dire que les chances d'obtenir un emploi en tant que physicien sont élevées.

Les carrières typiques du monde de la physique incluent les spécialisations dans l’électronique, les communications, l’aérospatiale, la détection à distance, la biophysique, la physique nucléaire, l’optique, la physique des plasmas, la physique des solides, l’astrophysique, la cosmologie ou la physique expérimentale.

Career ideas:

  • scientifique de recherches de •, physique
  • scientifique de recherches de •, l'électronique
  • scientifique de recherches de •, communications
  • scientifique de recherches de •, aérospatial
  • scientifique de recherches de •, télédétection
  • physicien nucléaire de •
  • physicien de systeme optique de •
  • physicien de plasma de •
  • physicien à semi-conducteurs de •
  • astrophysicien de •
  • cosmologue de •
  • physicien expérimental de •

La personne

Date de naissance
19 août 1924
Lieu de naissance
Amherst, Nouvelle-Écosse
Résidence
Wallace, Nouvelle-Écosse
Membres de famille
  • Père: Ernest Boyle
  • Mère: Bernice Dewar
  • Épouse: Betty, architecte paysagiste et fondatrice d'une galerie communautaire
  • Enfants: Robert, Cynthia, David, Pamela
Personnalité
Aventureux, intelligent, curieux
D'autres intérêts
Faire du bateau et du ski
Titre
Directeur exécutif du bureau de recherche, à la retraite, de la Division des sciences de la communication, Laboratoires Bell, New Jersey
Bureau
Division des sciences de communication, laboratoires de Bell, New Jersey
diplomes
  • B.Sc. Université McGill, 1947
  • M.Sc. McGill, 1948
  • Ph.D. (physique), McGill, 1950
Recompenses
  • Médaille Ballantyne (Franklin Institute), 1973
  • Prix Morris Lieberman (Institute of Electrical and Electronic Engineers), 1974
  • Progress Medal (Photographic Society of America)
  • Breakthrough Award (Device Research Conference, IEEE)
  • Gagnant ex-aequo, C&C Prize (NEC Foundation, Tokyo), 1999
  • Edwin H. Land Medal (Optical Society of America), 2001
Mentor
Sa mère, qui fut son institutrice à la maison jusqu’à la 9ème année. Mr. Bailey, un enseignant au secondaire qui lui enseigna la confiance en soi. Lester Germer, un superviseur des Laboratoires Bell, qui lui a fait découvrir la culture.
Dernier mis à jour
8 avril 2015
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