PAUL LANGEVIN (1872-1946) était un physicien, humaniste et pédagogue français de renom. Proche des Curie, d’Einstein et de Rutherford, c’est le récit vivant d’une vie vécue au cœur de la physique bouleversée par la découverte de la radioactivité et des rayons X, par la théorie des quanta, par la relativité et par la mécanique ondulatoire. Langevin lui-même était à l’origine des ultrasons, un théoricien profond du magnétisme et de la mécanique statistique et un évangéliste de la relativité. Son engagement total envers la science rationnelle s’appliquait également à la justice sociale. Sa vie a été profondément affectée par les deux guerres mondiales et les troubles politiques entre elles, au cours desquels il s’est publiquement opposé au fascisme et a soutenu les principes communistes. Dans ce récit personnel et intime de sa vie, on retrouve un être humain généreux, courageux, aimant, brillant. Il y a beaucoup dans sa compréhension de l’humanité et de la résolution des conflits qui reste d’actualité aujourd’hui.
Le 23 janvier 1872, le physicien français Paul Langevin est né. Il est surtout connu pour avoir développé la dynamique de Langevin et l’équation de Langevin. Être un opposant public contre le fascisme dans les années 1930 a entraîné son arrestation et, par conséquent, il a été assigné à résidence par le gouvernement de Vichy pendant la majeure partie de la guerre. Langevin fut aussi le premier à expliquer (1905) les effets du paramagnétisme et du diamagnétisme. (La faible attraction ou répulsion de substances dans un champ magnétique) en utilisant la mécanique statistique.
Paul Langevin – Petite enfance
Paul Langevin est né à Paris, deuxième fils de Victor Langevin, expert-vérificateur dans la section Montmartre de Paris. Il entra à l’École Lavoisier locale et aurait toujours été le premier de sa classe. En 1891, il entre à l’École de physique et chimie et après un an de service militaire à l ‘ École normale supérieure en 1893. L’enthousiasme de Langevin a été suscité par son contact avec le directeur de l’école et par son laboratoire .travaux, qui furent supervisés par Pierre Curie, célèbre pour ses travaux de pionnier en cristallographie, magnétisme, piézoélectricité et radioactivité. Il est ensuite allé à l’Université de Cambridge et a étudié au laboratoire Cavendish sous la direction de Sir JJ Thomson .Sous la direction de Thomson, il a travaillé sur l’ionisation par les rayons X, découvrant ainsi que les rayons X libèrent des électrons secondaires des métaux.
Carrière académique
Langevin est retourné à la Sorbonne en tant que doctorant étudiant au laboratoire de Jean Perrins, où il poursuit ses recherches sur les effets secondaires des rayons X. Très proche des Curies, il assiste à la naissance de l’étude de la radioactivité et obtient son doctorat de Pierre Curie en 1902 avec une thèse sur les gaz ionisés, basée sur des recherches qu’il avait commencées à Cambridge. Après avoir été nommé Préparateur d’Edmond Bouty à la Sorbonne, Langevin entre au Collège de France en 1902 pour remplacer EEN Mascart, qu’il remplace en 1909. Parallèlement, il pense aussi à l’École Municipale de Physique et Chimie, succédant à Pierre Curie en 1904, et dont il sera ensuite directeur d’études pendant 16 ans (1909-1925), puis à l’École nationale supérieure de jeunes filles (Sévres), en remplacement de Marie Curie en 1906. Il est élu, en 1934, à l’Académie des sciences.
Paramagnétisme et diamagnétisme
Langevin est connu pour ses travaux sur le paramagnétisme – une forme de magnétisme dans laquelle certains matériaux sont attirés par un champ magnétique appliqué de l’extérieur et forment des champs magnétiques induits internes dans la direction du champ magnétique appliqué – et le diamagnétisme – les matériaux diamagnétiques créent un champ magnétique induit champ magnétique dans une direction opposée à un champ magnétique appliqué de l’extérieur, et sont repoussés par le champ magnétique appliqué. De plus, il a conçu l’interprétation moderne de ce phénomène en termes de spins d’électrons dans les atomes.
Recherche en temps de guerre
Son travail le plus célèbre était dans l’utilisation des ultrasons en utilisant l’effet piézoélectrique de Pierre Curiet, c’est-à-dire que certaines céramiques et certains cristaux accumulent une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. Pendant la Première Guerre mondiale, il a commencé à travailler sur l’utilisation de ces sons pour détecter les sous-marins grâce à la localisation par écho. La flotte britannique était systématiquement décimée par les sous-marins allemands, dont les attaques furtives laissaient les Britanniques sans défense. Il avait déjà été théorisé pendant des années que la distance jusqu’au fond d’un plan d’eau pouvait être déterminée en utilisant une impulsion sonore et en mesurant son temps de parcours. L’armée britannique espérait que ce même principe fournirait un moyen de calculer la présence et la position des sous-marins. De nombreux scientifiques ont travaillé à cette fin et, en 1912, l’ingénieur russe Constantin Chilowsky avait construit un appareil qui fonctionnait avec le son en principe, mais était incapable de générer un signal suffisamment fort. En 1916 et 1917, Paul Langevin et Chilowsky ont déposé deux brevets américains divulguant le premier détecteur sous-marin à ultrasons utilisant une méthode électrostatique (condensateur chantant) pour un brevet et des cristaux de quartz minces pour l’autre. Le temps mis par le signal pour se rendre à l’ennemi sous- marin et l’écho vers le navire sur lequel l’appareil était monté a été utilisé pour calculer la distance sous l’eau. Cependant, la guerre était terminée au moment où il était opérationnel.
Théorie de la relativité
Au cours de sa carrière, Paul Langevin a également beaucoup contribué à diffuser la théorie de la relativité en France et a créé ce qu’on appelle aujourd’hui le paradoxe des jumeaux. Ce paradoxe est une expérience de pensée célèbre en relativité restreinte impliquant des jumeaux identiques, dont l’un fait un voyage dans l’espace dans une fusée à grande vitesse et rentre chez lui pour découvrir que le jumeau qui est resté sur Terre a plus vieilli. De plus, dès 1904, Langevin suggéra que la masse devait être égale à E/c 2, mais il ne publia jamais cette formule et reconnut pleinement la priorité d’Einstein dans la formulation appropriée de la théorie restreinte de la relativité.
L’Affaire avec Marie Curie
En 1910, il aurait eu une liaison avec Marie Curie, alors veuve. Environ quatre ans après la mort de son mari, Pierre, dans un accident de la route, la veuve de 43 ans s’est lancée dans une histoire d’amour très chargée avec Langevin, son cadet de cinq ans. Mais, Langevin était un homme marié et père de quatre enfants. La femme de Langevin découvrit les lettres d’amour que Marie lui avait écrites et rendit l’affaire publique avec la publication des lettres, ce qui scandalisa la France. L’Académie suédoise des sciences a tenté de dissuader Marie Curie de venir à Stockholm pour recevoir son prix Nobel afin qu’elle ne serre pas la main du roi de Suède.
Honneurs
Malgré sa liaison, Langevin a reçu de nombreux honneurs au cours de sa vie. En 1915, il fut honoré par la Royal Society of London et en 1928, il en devint membre. Il a été élu dans de nombreuses autres académies étrangères et à l’Académie de Marine à Paris. Sur le plan international, l’influence de Langevin devint primordiale en 1928, lorsqu’il succéda à HA Lorentz à la présidence de l’Institut international de physique Solvay, dont il était membre depuis 1921.
Dernières années 
Langevin était également connu pour être un opposant déclaré au nazisme et a été démis de ses fonctions par le gouvernement français de Vichy à la suite de l’occupation du pays par l’Allemagne nazie. Il a ensuite été restauré à son poste en 1944. Il est mort à Paris en 1946 et est enterré près de plusieurs autres éminents scientifiques français au Panthéon à Paris.
Paul Langevin, U-boot et ultrasons
Créé en 1917 pour détecter les sous-marins allemands, le transducteur à quartz piézoélectrique de Paul Langevin reste la base de toutes les techniques ultrasonores modernes.
Le Panthéon de Paris est le dernier lieu de repos des citoyens les plus honorés de France. Quatre physiciens notables y reposent : Pierre Curie, Marie Curie, Jean Perrin et Paul Langevin. Dans la vie, ce quatuor scientifique formait un groupe intime uni par leur amour de la science, de l’humanité et les uns des autres. Contrairement à ses trois compatriotes enterrés au Panthéon, Langevin n’a jamais reçu de prix Nobel. C’est peut-être pour cette raison qu’il n’a jamais atteint le statut d’icône de Marie Curie.
Le camouflage Dazzle a été utilisé par les Alliés pendant la Première Guerre mondiale pour tenter de rendre difficile pour les sous-marins allemands de détecter la position et la vitesse d’un navire cible. Le tableau de 1919 d’Arthur Lismer, Olympic with Returned Soldiers, représente l’Olympic (le navire jumeau du Titanic) dans un camouflage éblouissant sur un quai à Halifax, en Nouvelle-Écosse.
Mais au début du XXe siècle, Langevin a contribué de manière prolifique à des domaines tels que l’électromagnétisme, le diamagnétisme, la biréfringence et la relativité. En l’honneur du 150e anniversaire de sa naissance, cet article se concentre sur un autre aspect de son travail : sa découverte pendant la Première Guerre mondiale que les propriétés piézoélectriques du quartz pourraient être utilisées pour générer et recevoir des ultrasons. Bien que des aspects de cette histoire apparaissent dans des revues historiques de la piézoélectricité, transduction électroacoustique, et détection sous-marine, Les études de guerre de Langevin sur les ultrasons valent la peine d’être racontées pour leurs propres mérites.
Début de la vie
Langevin est né le 23 janvier 1872 à Paris dans une petite maison proche de l’emplacement actuel de la Basilique du Sacré-Cœur. Les Parisiens sortaient à peine du traumatisme de l’occupation de la ville pendant la guerre franco-prussienne de 1870-1871 et de la suppression sanglante de l’éphémère Commune de Paris en mai 1871. Bénéficiaire de l’introduction en France de l’enseignement public gratuit en 1881, Langevin resta attaché à l’importance sociale de l’éducation universelle tout au long de sa vie.
Lorsque la Première Guerre mondiale éclate en août 1914, la portée scientifique de Langevin est déjà internationale. Il avait représenté la France au Congrès international des arts et des sciences de 1904 à Saint Louis, Missouri, et, en tant que linguiste compétent, avait conversé facilement avec le groupe éminent de physiciens internationaux qui ont assisté à la première conférence Solvay sur la physique à Bruxelles en 1911. Ami proche d’Albert Einstein, Langevin avait des collègues en Allemagne et au Royaume-Uni. Combattre les Allemands n’avait pas plus de sens pour lui que combattre ses amis au Royaume-Uni : en tant que pacifiste, il ne croyait pas que la guerre était un moyen de résoudre les conflits. Ainsi, lorsque la guerre éclate, il rejoint la réserve territoriale en tant que sergent, où il exerce des fonctions non combattantes à Versailles.
Marie Curie pensait que c’était un énorme gaspillage de son esprit créatif et actif. À la fin de 1914, elle exploitait déjà sa première camionnette à rayons X en première ligne. Langevin, en revanche, est contraint de faire face à la perte de son personnel et des étudiants de l’ESPCI Paris, où il était professeur. Comme l’écrivait Curie dans une note de janvier 1915 à Langevin : « Nous traversons une période si difficile qu’un homme comme vous doit de toute urgence offrir les services que lui seul peut rendre. Vous pouvez et devez faire beaucoup. 
Détection sous-marine par ultrasons
Peu de temps après, un rapport parut sur le bureau de Langevin. Écrit par Constantin Chilowski, un jeune ingénieur russe, il proposait d’utiliser les échos d’impulsions sonores à haute fréquence pour détecter des objets sous-marins. Bien que l’idée de la détection d’écho ne soit pas nouvelle, Langevin s’est rendu compte que Chilowski suggérait quelque chose d’original. Le son provenant d’une source basse fréquence se propage généralement dans toutes les directions. Mais si la source est grande et de fréquence suffisamment élevée, un faisceau sonore analogue à un projecteur peut être créé.
Tout dépend de la longueur d’onde du son dans l’eau de mer, λ. A 1 kHz, une fréquence audible pour l’homme, λ est d’environ 1,5 m. Mais il se trouve qu’une source doit avoir cinq longueurs d’onde ou plus de diamètre pour générer un faisceau sonore sous l’eau, ce qui signifie qu’un émetteur de 1 kHz devrait avoir au moins 7,5 m de diamètre, bien trop grand pour être monté en mer. Mais à la fréquence ultrasonore de 100 kHz, où λ est d’environ 15 mm, un système de détection d’écho pratique peut être installé à bord d’un navire. Les propriétés du son dans l’eau étaient si peu connues que Langevin a d’abord considéré plusieurs fréquences de 15 kHz à 174 kHz. Le schéma dépendait également, bien sûr, de la distance parcourue par les ondes sonores à n’importe quelle fréquence avant qu’elles ne deviennent trop atténuées pour être détectées. Cela devait être déterminé.
Existe-t-il des sources d’ultrasons alternatives qui pourraient produire des faisceaux sonores sous l’eau ? Immédiatement après le naufrage du Titanic en 1912, Lewis Fry Richardson, physicien et météorologue, avait suggéré d’utiliser les ultrasons pour détecter les icebergs en plaçant un sifflet sous-marin au foyer d’un miroir pour créer un faisceau. Chilowski, quant à lui, a imaginé un grand haut-parleur sous-marin. Après réflexion, Langevin a rejeté ces deux options. Ce qu’il croyait nécessaire, c’était un appareil à très faible inertie qui pourrait fonctionner avec une faible perte et être entraîné à une tension pouvant être maintenue sous l’eau.
Paul Langevin (1872-1946) 
1872 : Né le 23 janvier à Paris.
1888 : Début des études à l’ESPCI Paris, où il suit l’enseignement de Pierre Curie.
1894 : Début des études à l’École Normale Supérieure de Paris.
1897 : Reçoit une bourse de la ville de Paris, qu’il utilise pour étudier au Laboratoire Cavendish de l’Université de Cambridge.
1900 : Nommé assistant de recherche à la faculté des sciences de l’Université de Paris (aujourd’hui Université de la Sorbonne).
1902 : Termine sa thèse de doctorat sur l’ionisation des gaz.
1905 : Choisi pour succéder à Pierre Curie comme professeur de physique à l’ESPCI Paris.
1909 : Nommé professeur titulaire au Collège de France.
1911–27 : Participation aux cinq premières conférences Solvay sur la physique.
1920 : Nommé directeur scientifique du Journal de Physique et le Radium.
1925 : Nommé directeur de l’ESPCI Paris.
1930–33 : Préside les sixième et septième conférences Solvay sur la physique.
1934 : Élu à l’Académie française des sciences.
1940–44 : Détenu en résidence surveillée pendant l’occupation allemande de la France.
1944 : Nommé président de la commission sur la réforme de l’éducation dans la France d’après-guerre.
1946 : Mort le 19 décembre à Paris.
À la demande de Langevin, en mars 1915, la marine française a commencé à financer un programme de recherche pratique dans son laboratoire ESPCI. En collaboration avec Chilowski, il a conçu un émetteur à ultrasons connu sous le nom de condensateur chantant. Ils ont utilisé une fine feuille de mica comme diélectrique, qui était maintenue en place par un vide sur une feuille de métal qui agissait comme une électrode du condensateur. L’eau formait l’autre électrode. La marine a prêté à Langevin un émetteur d’arc expérimental pour générer la tension de commande à haute fréquence et, en juillet 1915, il avait généré des intensités ultrasonores d’environ 100 mW/cm 2. Il a confirmé l’émission d’ondes ultrasonores en observant comment la force de rayonnement a déplacé une fine membrane.
Langevin avait imaginé un système intégré d’impulsion-écho mais n’a pas réussi à faire fonctionner le condensateur comme récepteur. Chilowski et Marcel Tournier, également ingénieur, ont conçu un hydrophone spécial à granulés de carbone basé sur des microphones en carbone utilisés pour recevoir les fréquences audio dans l’air. Pour augmenter la sensibilité, ils ont monté le microphone au foyer d’un miroir parabolique. Langevin a chargé Tournier de construire et de tester un système fonctionnel. Des essais réussis en Seine conduisent à un transfert des travaux à la base navale de Toulon en avril 1916.
« Un morceau de pierre, deux plaques de papier d’aluminium »
Bien que les Français s’intéressent à la détection sous-marine, la question était peut-être plus pressante pour leurs alliés britanniques, dont les lignes de ravitaillement étaient menacées par les sous-marins allemands. L’homologue de Langevin au Royaume-Uni était le physicien Ernest Rutherford, à qui la Royal Navy avait confié, entre autres, l’amélioration des méthodes de détection des sous-marins. Bien que Rutherford ait préféré utiliser des hydrophones comme appareils d’écoute, il est resté ouvert à d’autres options.
En mai 1916, un petit contingent de l’équipe de Rutherford est invité par le physicien Maurice de Broglie à visiter le groupe de recherche sur les ultrasons de Langevin en France. La visite s’est bien déroulée : en août, Rutherford chargeait Robert Boyle, un physicien canadien travaillant avec lui et l’Amirauté britannique, d’explorer le potentiel des techniques d’échographie. Se concentrant d’abord sur le récepteur, Boyle fabriqua et testa plusieurs conceptions de microphones à l’automne 1916. Mais il eut du mal à créer une source fiable d’ultrasons.
Au début de 1917, Langevin soumit un rapport d’étape à de Broglie, qui le rapporta au Royaume-Uni en février. Dans le rapport, Langevin décrit les progrès qu’il a réalisés sur son projet d’échographie. Réalisant qu’un microphone à carbone plat de grande surface pourrait s’avérer plus efficace qu’un plus petit, il en avait utilisé un avec son condensateur chantant et deux composants supplémentaires qui étaient utilisés dans les récepteurs radio : un amplificateur audio et un détecteur hétérodyne. Mais il a admis que sa conception nécessitait encore quelques ajustements techniques. Par exemple, les émetteurs tombaient souvent en panne à cause des étincelles à travers le film de mica de 1 µm, et la pression hydrostatique générait du bruit dans les microphones à granulés de carbone si les conditions océaniques n’étaient pas calmes. Malgré ces problèmes, Langevin a recommandé aux scientifiques britanniques de poursuivre son approche.
Néanmoins, il a rapidement commencé à utiliser du quartz à la place des granulés de carbone. Le quartz est une forme cristalline courante de dioxyde de silicium ; ses cristaux sont des prismes hexagonaux aux extrémités dissemblables. Comme les frères Jacques Curie et Pierre Curie l’ont découvert en 1880-1881, il possède également des propriétés piézoélectriques : lorsqu’un cristal de quartz est comprimé ou étiré, une charge électrique est créée sur ses faces. À l’inverse, l’application d’une tension aux bornes d’un cristal le fait légèrement changer de dimension.
La charge polaire est maximale dans trois directions spécifiques, chacune étant parallèle aux trois paires de faces prismatiques du cristal et dans un plan perpendiculaire à l’axe prismatique. Lorsque le quartz est utilisé comme dispositif piézoélectrique, les électrodes sont toujours placées dans des plans perpendiculaires à un tel axe polaire, qui est défini comme l’axe x . Les frères Curie demandent à Ivan Werlein, luthier parisien d’instruments d’optique, de tailler pour eux deux tranches spécifiques de quartz. Le premier, appelé plus tard le x -cut, qui apparaît comme le cylindre dans la figure, se fait de manière à ce que la direction de compression ou de tension soit le long de l’axe des x. La seconde, maintenant connue sous le nom de coupe en Y, est illustrée à la figure comme la tige prismatique rectangulaire. Il a une paire de faces électriques perpendiculaires à l’axe x mais est orienté de manière à ce que la contrainte soit appliquée le long de l’axe y.
Comme son collègue Tournier l’a rappelé plus tard, Langevin a demandé l’un des cristaux originaux taillés en x des frères Curie. Le posant sur un banc, Langevin connecta les électrodes au récepteur radio qu’ils avaient développé pour le microphone à charbon. Lorsqu’il posa une montre sur le verre, Langevin entendit son tic-tac dans le haut-parleur. C’était la percée vitale : en quelques jours, Langevin et son équipe avaient construit un prototype de récepteur à ultrasons qui utilisait la plaque de quartz x -cut des Curies comme transducteur.
Bientôt, un nouveau transducteur à quartz de 10 cm sur 10 cm x -cut a été découpé à partir d’un grand cristal d’affichage fourni par Werlein. Malgré la crainte de Langevin que les propriétés piézoélectriques du quartz puissent diminuer à haute fréquence, l’appareil s’est avéré à la fois sensible et stable. En l’absence de preuve d’un facteur de perte dépendant de la fréquence, Langevin s’est réjoui de sa solution élégamment simple, qu’il a décrite comme « un morceau de pierre, deux plaques de papier d’aluminium ». 
Boyle se rend en France en avril 1917 pour en savoir plus sur la taille du quartz et visiter le chantier naval de Toulon. Une mission conjointe anglo-française a présenté un compte rendu complet de leurs progrès à Washington, DC, le 15 juin, ce qui a incité plusieurs laboratoires américains à commencer également des recherches sur la technologie. En novembre, le récepteur à quartz piézoélectrique de Langevin était testé avec succès pour la détection d’écho sous-marine et les communications, bien qu’il utilisait toujours un transducteur en mica pour générer le faisceau d’ultrasons.
L’émetteur à quartz
Alors que Boyle arrivait en France pour visiter Langevin en avril, le physicien français commençait à étudier l’utilisation du quartz comme émetteur piézoélectrique. Il a rapidement découvert que le quartz coupé en x pouvait transmettre avec succès les ultrasons. Excitant une tranche de 16 mm de cristal de quartz pur à sa résonance d’épaisseur, Langevin a estimé qu’il pouvait générer une puissance acoustique d’environ 1 kW. Un physicien américain en visite, Robert Wood, nota plus tard que le faisceau de Langevin tuait les petits poissons qui le traversaient et causait « une douleur presque insupportable » à quiconque mettait la main sur son chemin. Langevin avait établi la base sur laquelle tous les développements ultérieurs de l’échographie ont suivi.
Dans une étape majeure vers les circuits ultrasonores modernes, l’équipe de Langevin a remplacé l’émetteur d’arc par un oscillateur accordable. Il s’est alors rendu compte que le transfert le plus efficace de l’énergie électrique à l’énergie acoustique se produisait lorsque la fréquence d’entraînement était la même que la fréquence de résonance naturelle du quartz, analogue à la sonnerie d’une cloche. Après expérimentation, il a déterminé que la fréquence de résonance primaire se produisait lorsque l’épaisseur de la tranche de quartz était exactement la moitié de la longueur d’onde d’une onde sonore dans le milieu élastique du quartz.
Mais Langevin ne pouvait qu’estimer la vitesse du son, dont il avait besoin pour fixer la bonne épaisseur. Le premier cristal qu’il a testé résonnait à environ 150 kHz, ce qui était une fréquence plus élevée qu’il ne le souhaitait. Il a estimé la fréquence de l’onde ultrasonore en mesurant la longueur d’onde à partir de l’interférence entre les signaux acoustiques et électromagnétiques dans le faisceau. Cette mesure directe lui a ensuite permis de relier précisément l’épaisseur du cristal à la fréquence de résonance.
Langevin s’est ensuite concentré sur le gain supplémentaire qui résulterait du fonctionnement du cristal à sa résonance mécanique et qui serait ajouté au gain de résonance de l’amplificateur accordé. Mais il y avait un problème imminent : plus la fréquence était élevée, plus l’absorption résultait des effets thermovisqueux dans l’eau. Une fréquence de 100 kHz était trop élevée et Langevin a calculé que la réduire à 40 kHz entraînerait une multiplication par six de la portée. Mais le cristal de quartz nécessaire pour produire cette fréquence devrait avoir plus de 50 mm d’épaisseur. Les cristaux naturellement formés de cette taille sont rares, de sorte que cette approche a commencé à sembler impraticable.
Langevin avait un autre problème. Pour maintenir un faisceau directionnel, le diamètre du transducteur devait augmenter en proportion inverse de la fréquence. Cela impliquait que la masse globale du transducteur devrait augmenter approximativement comme le cube inverse de la fréquence. Passer du laboratoire au navire ne serait pas facile.
Pour résoudre ces problèmes, il a développé ce qui est devenu connu sous le nom de transducteur sandwich de Langevin. En collant une feuille de quartz de coupe x de 4 mm d’épaisseur entre deux plaques d’acier de 3 cm, il a créé un dispositif dans lequel la fréquence de résonance était définie par l’ensemble de la structure et non par le quartz seul. Il a réussi à créer un transducteur d’une surface suffisante pour un faisceau directionnel de 40 kHz en construisant une mosaïque de petits morceaux de quartz dans une zone de 10 cm de diamètre. Une liaison étroite s’est poursuivie entre Boyle, Langevin et leurs équipes, qui cherchaient toutes désespérément du quartz difficile à trouver. Finalement, l’attaché naval français a retrouvé un fournisseur de lustres à Bordeaux, où Boyle a été étonné de trouver un entrepôt rempli de cristaux de quartz naturel empilés comme du charbon.
L’échographie entre les guerres
Un échange ouvert d’idées eut lieu à Paris en octobre 1918 lors d’une conférence interalliée sur les supersoniques. Toujours innovateur, Langevin a proposé une conception de faisceau en éventail pour une utilisation dans les eaux peu profondes et a discuté des défis de la réfraction et de la cavitation acoustique. À ce moment-là, des plans étaient en place pour installer des systèmes à ultrasons de la conception de Langevin sur 7 navires français et de la conception de Boyle sur 12 navires britanniques.
La guerre s’est terminée avant que l’une ou l’autre des marines ne puisse détecter les sous-marins ennemis par ultrasons. En ce sens, l’œuvre de Langevin fut un échec opérationnel. Le modeste investissement financier dans le développement de la nouvelle technologie n’a sauvé aucune vie et n’a pas empêché, par exemple, la perte par les Alliés d’environ 6 millions de tonnes de navires vers les U-boot en 1917. Mais les ultrasons ont lentement commencé à attirer l’attention des scientifiques du milieu universitaire, de l’industrie et de l’armée.
Langevin a décliné une invitation à déménager aux États-Unis et a plutôt tourné son attention vers les applications en temps de paix de la technologie qu’il avait inventée. En collaboration avec Charles-Louis Florisson, ingénieur électricien, il a développé et breveté le premier équipement commercial de sondage de profondeur par ultrasons. Le premier sondage a eu lieu au large de Nice en octobre 1920. À la fin des années 1920, leur sondeur à ultrasons était largement autorisé et installé sur les navires marchands et à passagers. Dans les années 1930, la découverte originale de Langevin était utilisée pour produire de fines et petites plaques de quartz qui généraient des faisceaux ultrasonores à des fréquences supérieures à 1 MHz et ne nécessitaient pas de substrats collés ni de fabrication de mosaïques.
Les brevets de Langevin sur la technologie des ultrasons ont rapidement été contestés devant les tribunaux britanniques et américains. Bien que l’affaire américaine ait traîné pendant 20 ans, sa propriété intellectuelle a finalement été défendue dans les deux cas. La décision de contester les cas a attiré l’attention des universitaires car elle semble entrer en conflit avec sa conviction que la science était une entreprise partagée et que ses résultats devraient être des biens communs. Mais il semble probable que les demandes de brevet de Langevin aient été motivées autant par les aspirations de ses partenaires que par les siennes : Chilowski voulait promouvoir sa carrière hors de Russie ; Florisson avait besoin d’une protection commerciale pour son équipement de sondage de profondeur ; et la femme de Langevin, Jeanne, a peut-être recherché une meilleure sécurité financière.
Généreusement, Langevin attribue une partie des revenus associés aux brevets à Jacques Curie et aux filles de Pierre Curie, Irène et Ève. Il reconnaissait ainsi sa dette envers les frères Curie pour leur découverte de la réciprocité piézoélectrique du quartz, cruciale pour son utilisation dans la détection par ultrasons.
Tous les travaux d’échographie au lendemain de la Première Guerre mondiale découlaient de la percée de Langevin. Boyle est retourné en Alberta, au Canada, où il a continué à étudier la métrologie ultrasonique et la cavitation ultrasonique. Au Royaume-Uni, l’un des physiciens avec lesquels Boyle avait travaillé, Frank Lloyd Hopwood, du St. Bartholomew’s Hospital de Londres, a mené de nombreuses expériences biophysiques basées sur les travaux de Langevin.
Le chercheur le plus notable inspiré par les travaux de Langevin était peut-être Wood, qui s’est intéressé aux ultrasons lors de sa visite en temps de guerre au laboratoire toulousain du physicien français. Après la guerre, il est approché par le financier américain Alfred Lee Loomis, qui lui propose de financer un laboratoire. Lorsque Loomis a demandé des idées à étudier, Wood s’est souvenu du travail de Langevin et a suggéré qu’ils explorent les « supersoniques ». En utilisant de simples transducteurs à quartz pilotés à des puissances très élevées, Wood et Loomis ont obtenu des résultats spectaculaires et ont fait la publicité du nouveau laboratoire de Loomis à Tuxedo Park, New York.
Bien que Wood ait appris les résultats de Langevin en France, la plupart des autres scientifiques et industriels aux États-Unis ont eu vent de la percée de Langevin lors de la visite anglo-française de juin 1917 à Washington, DC. Cette visite a stimulé les recherches d’Alexander Nicolson sur les propriétés du cristal piézoélectrique connu sous le nom de sel de Rochelle et les travaux de Walter Cady sur le résonateur piézoélectrique à quartz. Néanmoins, l’intérêt pour l’échographie a progressivement diminué à mesure que la guerre s’est éloignée de la mémoire. Il a fallu attendre la Seconde Guerre mondiale pour que le sonar à balayage soit largement utilisé pour localiser les sous-marins.
Dans l’entre-deux-guerres, Langevin est devenu l’un des physiciens les plus expérimentés et les plus respectés d’Europe. Au cours des années 1920, il a donné une série de cours de physique au Collège de France sur des sujets tels que les ultrasons, la physique quantique, le magnétisme et la relativité. En reconnaissance de son ancienneté, il est élu à la tête des sixième et septième conférences Solvay, creuset du débat international sur la physique à l’époque.
L’héritage de Langevin : l’échographie en médecine
L’utilisation médicale de l’échographie, à la fois diagnostique et thérapeutique, est aujourd’hui l’héritage le plus tangible de Langevin. En 1949, plus de 30 ans après les premiers travaux de Langevin sur l’échographie, la toute première conférence sur l’échographie médicale a été convoquée à Erlangen, en Allemagne. Lors de la conférence, Florisson, le collègue de Langevin, a rappelé que Langevin avait prédit que les ultrasons pourraient un jour être utilisés pour la thérapie médicale.
Ironie du sort, ce n’est pas en France mais en Allemagne que la thérapie par ultrasons a pris son envol. Comme pour le système d’impulsion-écho, les transducteurs à quartz – fonctionnant à environ 1 MHz – ont été la clé de la percée technologique. La justification scientifique des ultrasons thérapeutiques a été développée par Reimar Pohlman, un physicien travaillant pour Siemens à Berlin, qui a démontré en 1939 que l’exposition aux ultrasons à des puissances modérées pouvait être bénéfique sans causer de dommages. Au moment de la conférence d’Erlangen, il y avait au moins 10 entreprises européennes vendant des équipements pour la thérapie par ultrasons. Tous sauf un utilisaient des transducteurs piézoélectriques en quartz de coupe x. Échographie diagnostique, d’autre part, a émergé dans les années 1950. Les premiers transducteurs utilisés étaient, encore une fois, du quartz, bien qu’ils aient été rapidement remplacés par des céramiques ferroélectriques.
Les échos des travaux de Langevin imprègnent encore le domaine de l’échographie médicale. Les transducteurs piézoélectriques restent la technologie dominante utilisée dans les appareils à ultrasons. La puissance acoustique est toujours mesurée à l’aide de la force de rayonnement, tout comme Langevin l’a fait. Le délaminage des transducteurs, un problème majeur pour Langevin, est toujours d’actualité. Les artefacts causés par la réfraction et l’absorption doivent encore être identifiés. Et l’imagerie harmonique reste basée sur une compréhension de la propagation d’amplitude finie, qui a été enseignée pour la première fois par Langevin dans les années 1920.
Cady, un autre pionnier de la piézoélectricité, a décrit Langevin en 1946 comme « l’initiateur de la science et de l’art modernes des ultrasons ». Le génie scientifique de Langevin consistait à libérer la piézoélectricité du quartz pour qu’il agisse simultanément comme source et récepteur d’ultrasons et à développer le premier système d’impulsion-écho à ultrasons fonctionnel. Son émetteur à quartz a ouvert la voie au nettoyage par ultrasons, à la sonochimie et à la chirurgie ; son système d’écho d’impulsion a permis le développement de détecteurs de proximité, de tests non destructifs et de numérisation médicale. Aujourd’hui, les ventes mondiales d’échographes médicaux totalisent environ 8 milliards de dollars par an. L’échographie est une technologie médicale rentable, sûre, portable et non invasive. Le pacifiste Langevin aurait sûrement approuvé.
Paul Langevin (1946-1872)
Physicien français qui a été le premier à expliquer (1905) les effets du paramagnétisme et du diamagnétisme (la faible attraction ou répulsion des substances dans un champ magnétique) à l’aide de la mécanique statistique. Il a en outre théorisé comment les effets pouvaient être expliqués par le comportement des charges d’électrons dans l’atome. Il a popularisé les théories d’Einstein auprès du public français. Pendant la Première Guerre mondiale, il a commencé à développer une source d’ondes ultrasonores de haute intensité, qui a rendu possible la détection par sonar des sous-marins. Il a créé les ultrasons à partir de cristaux piézoélectriques vibrés par des circuits radio à haute fréquence. Pendant la Seconde Guerre mondiale, il s’est prononcé contre les nazis, pour lesquels il a été arrêté et emprisonné, bien qu’il ait réussi à s’échapper et à fuir en Suisse.
https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.5122