En France comme en Belgique, les étudiants en médecine reçoivent généralement peu d’enseignements de physique au cours de leur cursus. Cette situation trouve ses racines dans l’histoire : jusqu’au XIXᵉ siècle, le vitalisme – courant scientifique issu du XVIIIᵉ – postulait que les êtres vivants étaient animés par une « force vitale » échappant aux lois physiques et chimiques. Peu à peu, cette vision céda la place au mécanisme, qui affirme que les phénomènes biologiques, même les plus complexes, obéissent aux mêmes lois universelles que la matière inanimée. Cette transition a marqué une étape décisive dans l’histoire des sciences, consacrant le rôle fondamental de la physique dans la compréhension du vivant.

C’est dans cet esprit que s’inscrit l’ouvrage Physique pour les sciences médicales, coordonné par Bernard Pireaux, professeur de physique à l’Université catholique de Louvain. Véritable outil de formation, il rassemble l’ensemble des notions essentielles de physique utiles aux étudiants en médecine, sciences de la vie ou sciences biomédicales.

• Réconcilier les étudiants avec la physique en soulignant son rôle central dans les sciences de la santé.
• Initier dès le début du parcours aux lois fondamentales de la physique, indispensables à leur formation.
• Comprendre en profondeur les mécanismes physiques sous-jacents aux phénomènes physiologiques, jusque dans leurs dimensions cellulaires.
• Modéliser des systèmes physiologiques plus complexes.
• Accompagner les étudiants tout au long de leur cursus, et même au-delà.

Avec plus de 600 pages, cet ouvrage est bien plus qu’un simple syllabus : il se veut une véritable « bible » de la physique appliquée aux sciences médicales. Sa rédaction a mobilisé plusieurs enseignants-chercheurs pendant plus d’un an.

À l’UNamur, deux professeurs de physique ont joué un rôle clé :

• Jim Plumat, professeur de physique émérite de l’UNamur, a signé le chapitre 11 consacré à la lumière, à l’œil et à la vision.

• Laurent Houssiau, professeur de physique à l’UNamur, a rédigé les chapitres 2 et 3 sur la cinématique et la dynamique, et a contribué au chapitre 4 sur les solides déformables. 

Fort de 25 ans d’expérience d’enseignement de la physique aux étudiants en médecine, il explique :

Basé sur des exemples médicaux concrets et clairement orienté vers la physique médicale, le livre offre une approche progressive et pragmatique. Comme le souligne Laurent Houssiau : « Ce livre est parfaitement adapté à nos étudiants en médecine, sciences biomédicales et sciences pharmaceutiques, car tous ses auteurs l’ont rédigé dans le même esprit. » 

Conçu comme un véritable cours de biophysique, l’ouvrage s’adresse aussi bien aux étudiants français et belges en médecine qu’à ceux inscrits dans les programmes de sciences de la vie et de la santé. Chaque chapitre propose :

• une introduction pour situer et contextualiser le sujet,
• de nombreux exercices et QCM corrigés,
• un ou plusieurs cas d’étude en médecine, en particulier en physiologie.

Le projet constitue une première en la matière. Avec cette publication, les étudiants disposent enfin d’un outil de référence solide et adapté à leurs besoins, pour mieux comprendre les bases physiques indispensables à la pratique médicale.

Depuis une vingtaine d’année, un phénomène physique attire particulièrement l’attention des scientifiques du monde entier : celui de la superradiance dans les milieux à indice de réfraction proche de zéro. Parmi eux, Michaël Lobet, professeur au Département de physique de l’UNamur, chercheur qualifié FNRS et chercheur associé à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). « C’est un des gros axes que j’étudie depuis dix ans maintenant et pour lequel j’ai réalisé un post-doctorat dans l’équipe du professeur Eric Mazur, à Harvard », explique Michaël Lobet.

La superradiance est un phénomène connu depuis plus d’un demi-siècle. Il a été théorisé mathématiquement dès 1954 par Robert Dicke, qui a montré que lorsque des éléments comme des atomes interagissent, ils peuvent se synchroniser pour émettre ensemble une lumière plus puissante, comme dans un laser par exemple. Un peu comme dans une chorale qui chante à l’unisson, le son produit est bien plus fort que chaque voix prise séparément. Mais, pour que cela fonctionne, il est impératif que les émetteurs soient très proches l’un de l’autre.

Les scientifiques ont cependant découvert qu’un élément pouvait changer la donne : lorsque les émetteurs sont plongés dans un matériau dont l’indice de réfraction est proche de zéro, plutôt que dans le vide, la position des émetteurs n’est alors plus un problème. L’indice de réfraction est une grandeur qui permet de décrire le comportement de la lumière dans un matériau. Dans un matériau ordinaire, la lumière se comporte un peu comme des vagues sur la mer : elle avance en formant des crêtes et des creux qui se déplacent. Mais dans un milieu à indice proche de zéro, c’est comme si la mer devenait parfaitement plate, sans vagues, et se mettait à monter et descendre en bloc. Tout bouge à l’unisson : la mer devient uniforme, et la vague s’étire à l’infini.

Quand le champ lumineux devient plus uniforme, tous les atomes se retrouvent alors optiquement proches les uns des autres, même s’ils sont spatialement éloignés. Autrement dit, l'indice de réfraction proche de zéro "ambiant" permet de relâcher l'écart strict entre les positions des atomes, condition indispensable pour permettre "l'intrication" des particules quantiques. L'intrication quantique correspond à des corrélations entre les particules, essentielles au développement de l'information et des ordinateurs quantiques.

C’est là qu’intervient la contribution prometteuse d’une équipe composée de chercheurs de l’UNamur, d’Harvard et de la Michigan Technological University (MTU), soutenue par la Dr Larissa Vertchenko de la société danoise Sparrow Quantum, spécialisée en technologie quantique. Adrien Debacq, chercheur aspirant FNRS au Namur Institute of Structured Matter (NISM) et co-auteur de l’article, aidé d’Olivia Mello, doctorante à Harvard, et de la Dr Larissa Vertchenko, ont développé ensemble une puce photonique capable d'améliorer radicalement la portée de l'intrication entre des émetteurs, jusqu’à 17 fois plus que dans le vide. Ces émetteurs ont été réalisés à partir de diamant à vacance d'azote (NV), des structures bien connues en optique quantique.

 « Cet article montre comment ce travail peut passer de l'électrodynamique classique au régime quantique avec les matériaux à faible indice de réfraction », résume Eric Mazur, professeur à la Harvard School of Engineering and Applied Sciences, qui est à la pointe de ces matériaux innovants depuis une dizaine d’années. L’intrication, propriété purement quantique, permet de réaliser le transfert d’informations quantiques, un concept déjà soulevé par Einstein dans les années 1930 dans le cadre de ses travaux sur la mécanique quantique. Le présent travail s’inscrit dans cette suite, et plus globalement dans la “seconde révolution quantique”, qui vise à utiliser les découvertes fondamentales d’Einstein et autres pères fondateurs de la mécanique quantique.

Cette perspective confirme l’ouverture entamée ces dernières années à des applications potentiellement révolutionnaires : des lasers plus efficaces, des capteurs optiques plus sensibles et, surtout, des outils de télécommunication plus rapides et ultra-sécurisés notamment grâce aux ordinateurs quantiques. La cybersécurité est par exemple sur le point d’être bouleversée par ces découvertes, garantissant la sécurité des messages par des lois physiques plutôt que des calculs complexes.

Durdu Güney, avec le Dr. Seth Nelson, ont contribué à étudier la réponse dynamique du système quantique en présence de faisceau laser pompe.

Tout l'enjeu de la future recherche consiste maintenant à transformer ce projet théorique, mêlant modèles analytiques et simulations numériques, vers une réalisation expérimentale concrète. L'objectif : se rapprocher encore un peu plus de systèmes quantiques pratiques, qui tiennent dans des dimensions aussi fines que l'épaisseur d'un cheveu. Nous aurons peut-être un jour, qui sait, un ordinateur quantique dans notre poche ?

Les chercheurs remercient le Département de physique et l’Institut NISM, le FNRS pour le financement des mandats de recherche de Michaël Lobet et Adrien Debacq, la plateforme technologique PTCI, dont les supercalculateurs ont rendu cette étude possible, et, enfin, le financement partiel du United States Army Research Office dans le cadre du programme MURI (W911NF2420195).

Tout a commencé par le voyage de Nicolas Roy à Stanford.  Nicolas est doctorant au sein du Département de physique et membre des Instituts NISM et NaXys. La visite à Stanford avait pour objectif de développer une expertise à l’UNamur sur une méthode nouvelle de simulation de cristaux photoniques twistés, récemment publiée par la prestigieuse université. À la suite des discussions lors du séjour à Stanford, des pistes de collaborations sont apparues, notamment celle de poursuivre les recherches relatives à l’une de leurs publications afin de tenter de rendre un dispositif qui permet de manipuler la direction du faisceau lumineux le plus efficace et compact possible.  

Pari réussi puisque l’étude théorique prévoit un dispositif de 6 microns (soit la taille d’un cheveu) !  De plus, il est très économe en énergie.  Concrètement, il peut permettre de suivre des satellites par exemple, sans bouger l’émetteur ou le récepteur, ce qui est compliqué dans un circuit photonique.  Une autre application concrète est à l’étude pour la société Meta, qui souhaite réduire la taille des casques de réalité virtuelle à une simple paire de lunettes… 

Durant sa thèse de doctorat, et en s’appuyant sur une publication de l’équipe de Stanford intitulée “Theory for Twisted Bilayer Photonic Crystal Slabs”, Nicolas a reproduit la méthode de simulation et mis au point un modèle analytique des simulations numériques. L’emploi de ces simulations peu coûteuses a permis de trouver les structures photoniques les plus capables de dévier la lumière de manière contrôlée. Le modèle analytique quant à lui permet de fournir une explication à ce qui a été observé et donc de mieux comprendre ce qu’il se passe. En bref, cela donne des perspectives de fabrication plus simples pour les futurs dispositifs. 

Les équipes de recherche qui collaborent dans cette étude travaillent sur les cristaux photoniques twistés, c’est-à-dire des matériaux bidimensionnels, formés, par exemple de 2 couches de silicium superposées et structurées, et leur interaction avec la lumière.  

Dans la conception d’un modèle analytique, Nicolas Roy s’est également servi d’une théorie connue depuis les années 60 : les réseaux échelette.  Un réseau échelette est un réseau de diffraction plan ayant le profil en dents de scie.  Concrètement, cela ressemble aux toits des anciennes usines.  La nouveauté qu’il a apportée en utilisant cette notion, c’est de permettre de comprendre le mécanisme qui permet le contrôle de l’angle de sortie du faisceau lumineux grâce au twist entre les deux couches. Ce faisant, il a identifié que le système agissait similairement au réseau échelette. L’équipe, grâce à des méta-modèles, a permis de concentrer la lumière dans une direction bien précise avec une efficacité de 90%.  

Le but de ce genre de structure twistée ?  Devenir maître de la lumière et fabriquer in fine des systèmes qui permettent de la ralentir, voire de l’arrêter.   

Cette technique du twist ouvre donc bien des possibilités encore inexplorées en photonique en ajoutant un degré de contrôle de la lumière.  Les chercheurs poursuivent leurs recherches dans ce sens, en continuant cette collaboration fructueuse avec l’équipe du professeur Fan, de l'Université de Stanford, USA.  

Décidément, on n’a pas fini de twister à l’UNamur ! 

L'équipe belge

• Professeur Michael Lobet (UNamur, Harvard University)
• Professeur Alexandre Mayer (UNamur)
• Dr Nicolas Roy (UNamur)

L'équipe américaine

• Professeur Shanhui Fan (Université de Stanford)
• Dr Beicheng Lou

Les chercheurs remercient l’UNamur, et plus spécifiquement le Département de physique et l’Institut NISM pour avoir financé le voyage de Nicolas Roy, l’Institut naXys pour son soutien dans ce projet,  la plateforme technologique PTCI, dont les supercalculateurs ont rendu cette étude possible ainsi que le FNRS pour le financement des mandats de recherche de Michaël Lobet et Alexandre Mayer.

• Michaël Lobet, le physicien de l’invisible qui fait twister la lumière 
• Sur les traces d’Einstein : anciennes théories, nouvelles perspectives
• Publication sur l’observation de la lumière dans Nature Communications

Namur est candidate pour devenir Capitale européenne de la culture en 2030. Dans ce cadre, la ville participe à la conférence "Culture Next" qui rassemble des représentants des villes en lice, dont de nombreux étudiants engagés. Sur recommandation de l’Université de Namur, Kevin a été choisi pour représenter la jeunesse namuroise à cet événement qui se tiendra à Leeuwarden, aux Pays-Bas, du 8 au 10 juillet.

« L’idée, c’est d’échanger sur la place de la jeunesse dans les projets culturels des villes européennes », explique Kevin. « Ce sera aussi l’occasion de réfléchir aux retombées culturelles possibles pour les jeunes et à leur rôle actif dans ces initiatives. »

Accompagné de Laure Van Hauwaert, conseillère pour la stratégie Europe de Namur 2030, Kevin participera à des conférences, colloques, ateliers d’échanges et des tables rondes. Il présentera également un projet qui lui tient à cœur : l’Impronam. Ce kot à projet, centré sur l’improvisation théâtrale et dont Kevin a été président, est pour lui un exemple concret de culture inclusive et participative. « À travers l’impro, on aide les étudiants à sortir de leur coquille, à développer leur confiance, à créer du lien. On y accueille tout le monde, sans barrière. »

L'engagement de Kevin ne s’arrêtera pas à cette conférence. À la rentrée, Namur accueillera le jury final qui désignera la future Capitale européenne de la culture. Bien que son rôle à ce moment-là ne soit pas encore défini, Kevin pourrait être l’un des dix ambassadeurs qui représenteront officiellement la ville.

Et après ? « Si Namur est sélectionnée, ce sera cinq années de projets à construire, pas juste une grande fête en 2030. L’Université a un rôle à jouer dans ce processus, et les étudiants aussi. C’est l’occasion de laisser un vrai héritage culturel à la ville. »

Pour Kevin, cette expérience est aussi personnelle : « C’est une chance incroyable. Je représente Namur, l’université, et plus largement la jeunesse. Ce genre d’engagement, ça ouvre des portes, ça change une vie. Il suffit parfois juste de dire oui à une opportunité lorsqu’elle s’offre à nous. »

Le parcours de Kevin illustre le lien étroit entre l’Université de Namur et sa ville. À travers des projets comme Namur 2030, les étudiants montrent qu’ils peuvent contribuer pleinement à la vie culturelle locale. Une collaboration vivante et porteuse de sens, qui renforce l’ancrage de l’université dans son territoire.