Sur une autre longueur d'onde, Nader Engheta dirige une communauté à la lumière

Technologie scientifique

Nader Engheta était perplexe lorsqu'il a reçu un appel du service de psychologie au sujet d'un poisson.

Au début des années 1990, Engheta, un nouveau professeur agrégé de génie électrique à l'école d'ingénierie et de sciences appliquées de Penn, était un expert respecté des technologies des ondes radio. Mais ces dernières années, son travail s'était élargi à des sujets à la fois plus farfelus et fondamentaux.

L'intérêt d'Engheta pour les ondes électromagnétiques ne se limitait pas aux radiofréquences, comme en témoigne une série de nouvelles publications. Certaines études ont étudié une gamme d'interactions d'ondes avec une classe de matière connue sous le nom de « milieu chiral », des matériaux avec des configurations moléculaires qui présentent des qualités de « gaucher » ou de « droitier ». D'autres ont établi des applications électromagnétiques pratiques pour une branche déconcertante des mathématiques appelée "calcul fractionnaire", un domaine avec les mêmes racines newtoniennes que le calcul proprement dit, mais une prémisse aussi surprenante que la suggestion qu'une famille pourrait littéralement comprendre deux enfants et demi.

Les ondes électromagnétiques sont organisées sur un spectre de longueurs d'onde. À l'extrémité la plus courte du spectre se trouvent les ondes à haute énergie, telles que les rayons X. Au milieu, il y a la gamme limitée que nous voyons comme lumière visible. Et à plus long terme, il y a les régimes à faible énergie de la radio et de la chaleur.

Les chercheurs ont tendance à se concentrer sur un type d'onde ou une section du spectre, explorant les bizarreries et les fonctions propres à chacun. Mais toutes les ondes, électromagnétiques ou non, partagent les mêmes caractéristiques : elles consistent en un motif répétitif avec une certaine hauteur (amplitude), taux de vibration (fréquence) et distance entre les pics (longueur d'onde). Ces qualités peuvent définir un faisceau laser, une voix de diffusion, un lac balayé par le vent ou une corde de violon.

J'ai toujours su que la connaissance n'avait pas de frontières. Les champs de recherche ont des frontières, mais elles sont artificielles. Vous pouvez travailler dans différents domaines. Nader Engheta , professeur Penn Engineering et lauréat de la médaille Franklin 2023

Engheta n'a jamais été le genre d'érudit à limiter le champ de sa curiosité à un seul domaine de recherche. Il s'intéresse aux ondes, et sa fascination réside également dans la physique qui détermine le comportement des ondes et les technologies expérimentales qui repoussent les limites de ces lois.

Ainsi, quand Edward Pugh, un psychologue mathématicien étudiant la physiologie de la perception visuelle, a expliqué que le poisson-lune vert pourrait posséder un avantage évolutif pour voir sous l'eau, Engheta a écouté.

Bientôt, les deux professeurs Penn se sont penchés sur des images au microscope de rétines vertes de crapets.

Les yeux de ce poisson contiennent des photorécepteurs structurés pour percevoir la lumière polarisée, ou des ondes lumineuses qui oscillent dans une direction uniforme. Les yeux humains ne contiennent pas de telles structures, incapables de faire la différence entre les ondes lumineuses qui vibrent sur plusieurs plans - comme le fait la lumière du soleil ordinaire - et la lumière qui se déplace parfaitement dans un seul plan - comme le ferait la lumière du soleil après avoir rebondi sur une surface ferme. Pour nous, l'environnement sous-marin saumâtre du poisson est trop trouble et flou pour naviguer à vue. Mais certaines espèces marines peuvent utiliser une lumière polarisée que nous ne pouvons pas voir pour s'éloigner du danger et se diriger vers la nourriture.

Pugh, un scientifique de la vision, avait des questions sur l'optique. Ces photorécepteurs fonctionnent-ils comme des fibres optiques préservant la polarisation ? Engheta, expert en antennes radio, a plongé dans la biologie cellulaire pour trouver des réponses.

Trois décennies plus tard, en 2023, l'Institut Franklin a décerné à Engheta la médaille Benjamin Franklin, l'une des reconnaissances les plus prestigieuses au monde pour les réalisations scientifiques et technologiques. Lauréate en génie électrique, Engheta a reçu l'honneur "[f] ou des innovations transformatrices dans l'ingénierie de nouveaux matériaux qui interagissent avec les ondes électromagnétiques de manière sans précédent".

Cette courte citation répertorie un flot de contributions scientifiques sans égal qui pointaient à l'horizon pour Engheta à l'époque où il étudiait le poisson-lune. Au cours des années suivantes, lui et Pugh ont créé un nouveau domaine qu'ils ont appelé "l'imagerie de polarisation bio-inspirée", concevant et construisant une caméra qui pouvait voir comme un poisson, une caméra si finement réglée qu'elle pouvait capturer non seulement des vues sous-marines claires, mais des empreintes digitales détaillées sur la surface des objets en verre. Le travail qu'Engheta continuerait à faire à l'approche du XXIe siècle prendrait une direction très différente, s'avérant fondamental pour plusieurs nouvelles voies de recherche majeures.

Plus qu'une simple avancée technologique surprenante, l'épisode du poisson-lune illustre les éléments clés du succès unique d'Engheta : une ouverture à l'inspiration, une virtuosité dans les compétences techniques, un talent pour la collaboration et le mépris des limites disciplinaires. Elle marque également une avancée décisive sur son chemin vers la lumière.

La radio à transistor appartenait à son frère aîné, qui la construisait à partir de pièces détachées.

"En tant qu'enfant grandissant en Iran, j'étais toujours curieux de savoir comment les choses fonctionnaient", explique Engheta. "Je n'avais jamais rien vu de tel que cette radio et j'avais besoin de savoir comment elle pouvait fonctionner sans être connectée à quoi que ce soit."

L'explication de son frère sur la façon dont la musique portable résultait d'ondes électromagnétiques et mécaniques transformées en signaux électroniques l'a conduit quelques années plus tard à l'Université de Téhéran, où il a obtenu un diplôme en génie électrique avec les plus hautes distinctions, puis aux États-Unis pour ses études supérieures. travail.

Les contributions de Nader à son domaine comprennent une ampleur et un impact qui ne sont pas souvent perçus par un seul individu. Vijay Kumar, doyen de la famille Nemirovsky de Penn Engineering

Il peut sembler que cette histoire d'origine d'une radio n'est que cela - une histoire d'origine d'une radio.

Mais la radio est un bruit de fond. Ce moment met en valeur une personnalité poreuse au monde, avec un sens aigu du but lorsqu'il s'agit d'en savoir plus.

Les impacts déterminants de la carrière d'Engheta sur l'optique ne se produisent pas malgré son pedigree en radio, mais en relation avec celui-ci, et son saut professionnel d'un côté à l'autre du spectre électromagnétique était tout à fait conforme à l'esprit de son approche scientifique.

Artur Davoyan, professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial à l'UCLA qui a passé trois ans en tant que boursier postdoctoral dans le laboratoire d'Engheta à Penn, décrit la relation d'Engheta avec l'expertise en la matière comme un moyen et non une fin.

« Nader est une autorité sur un nombre étonnant de sujets », déclare Davoyan. "Il est extrêmement agile lorsqu'il s'agit de donner une perspective sur la science, la personne de référence si vous voulez un regard neuf sur n'importe quel problème. C'est parce que sa motivation n'est jamais de simplement maîtriser un domaine. Son objectif ultime est de satisfaire la créativité unique avec laquelle il est né, et sa plus grande contribution à la science a été de montrer aux gens autour de lui comment opérer à partir de ce même lieu de curiosité et de joie.

"J'ai toujours su que la connaissance n'avait pas de frontières", déclare Engheta. "Les domaines de recherche ont des frontières, mais elles sont artificielles. Vous pouvez travailler dans différents domaines."

Il s'arrête et réfléchit quelques secondes. Sourires.

"En fait, l'innovation se produit souvent aux frontières entre les domaines. Ces domaines peuvent avoir des langages et des priorités disparates, mais ils ont également des points communs intéressants que vous pouvez trouver si vous savez comment regarder."

Savoir regarder est une chose. Comprendre deux formes distinctes de science et communiquer entre elles en est une autre. Engheta est peut-être le plus célèbre pour son travail fondateur reliant l'électronique et l'optique, deux domaines si étrangers dans leur approche qu'ils peuvent tout aussi bien exister sur des planètes différentes.

Au début des années 2000, lorsque la nanotechnologie commençait à prendre son envol, les scientifiques étaient désormais capables de contrôler et de fabriquer des modèles au niveau atomique, et les chercheurs en lumière exploraient des moyens de manipuler la lumière en façonnant des structures à l'échelle nanométrique. Fraîchement sorti de son incursion louche dans l'optique des systèmes visuels, Engheta s'est rendu compte qu'il pouvait tirer parti de la nanotechnologie pour appliquer son expertise dans les concepts de radiofréquence à la lumière visible.

Dans une étude qui aiderait à développer et à étendre un domaine de recherche en plein essor appelé "métamatériaux", Engheta a introduit une minuscule particule métallique dotée de fortes propriétés de diffusion de la lumière dans un matériau à l'échelle nanométrique.

Il l'appelait une antenne.

Les ingénieurs décrivent invariablement le langage croisé qu'Engheta a développé pour communiquer entre la radio et la science de la lumière en termes révérencieux et esthétiques : « élégant », « beau », « époustouflant ». Son analyse de cette nanoparticule métallique l'a imaginée comme un analogue d'un circuit classique, établissant des parallèles entre ses propriétés de diffusion de la lumière et les fonctions de résistance, d'inductance et de condensateur qui sont l'ABC de l'électronique.

Ahmad Hoorfar, professeur de génie électrique et informatique à l'Université de Villanova et principal sponsor d'Engheta pour la médaille Franklin, souligne l'impact de ce travail.

"Le fait que vous puissiez fabriquer des éléments de circuit à des fréquences optiques", explique-t-il, "signifie que toute la conception que les gens ont réalisée au cours des 50 à 70 dernières années dans le domaine de l'électronique était soudainement disponible pour l'optique. Ce travail a construit des ponts qui ont fourni une mine de ressources. C'est une idée brillante qui a à la fois simplifié et amélioré la science optique".

Mark Brongersma, professeur au Département de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université de Stanford et collaborateur fréquent d'Engheta, affirme l'importance de l'approche interdisciplinaire d'Engheta.

"Nader savait comment les antennes fonctionnent dans le régime des radiofréquences", explique Brongersma, "et a été en mesure de fournir une perspective différente et incroyablement impressionnante sur la façon de concevoir ces structures métalliques pour manipuler la lumière."

Cette perspective différente ne se limitait pas à l'inclusion d'une seule minuscule particule. Engheta envisageait d'en ajouter d'autres, des couples ou des ensembles entiers de ces particules. Aujourd'hui, on les appelle des "métasurfaces", des structures bidimensionnelles artificiellement mélangées et modifiées qui diffusent et transforment la façon dont la lumière se propage.

La riche histoire de Penn des lauréats de la médaille Franklin comprend une gamme distinguée de chercheurs qui ont apporté des contributions révolutionnaires à leurs domaines respectifs. Parmi les lauréats figurent Katalin Karikó et Drew Weissman (2022), Doug Wallace (2017), Charles Kane et Eugene Mele (2015), William Labov (2013), Peter Nowell (2010), Ruzena Bajcsy (2009), Aravind Joshi (2005), Robert Newnham (2004), Robin Hochstrasser (2003), Ralph Brinster et Shiriki Kuman. yika (1997), Alan MacDiarmid (1993), Eli Burstein (1979), Mildred Cohn (1975), Britton Chance (1966) et Ezra Krendel (1960).

Les contributions de la cohorte de chercheurs et d'innovateurs vont de la technologie de l'ARNm à la recherche en topologie, en passant par la sociolinguistique, la génétique du cancer, la robotique, etc. Ces lauréats exceptionnels illustrent le dévouement durable de Penn à la recherche innovante et à l'excellence scientifique.

"Avec cela", ajoute Brongersma, "nous pouvons orienter la lumière. Nous pouvons la concentrer. La science de la manipulation de la lumière a un impact sur de nombreuses technologies importantes qui nous entourent, des capteurs d'énergie solaire aux capteurs, en passant par les affichages visuels pour la télévision et les appareils de réalité augmentée. Tout cela est limité par notre capacité à adapter la lumière à l'échelle nanométrique. Les métamatériaux font progresser cette capacité, en grande partie grâce à Nader".

Reconnu aujourd'hui comme le "père" des métamatériaux, Engheta définit ce domaine d'étude complexe avec sa lucidité caractéristique.

"Les matériaux qui composent le tableau périodique interagissent tous avec la lumière de manière conventionnelle", dit-il. "L'idée des métamatériaux est de fabriquer des matériaux qui font des choses non conventionnelles avec la lumière."

En termes simples, les métamatériaux modifient les propriétés électromagnétiques d'un matériau par l'inclusion d'un autre de forme précise. Les trois éléments sont importants : les propriétés du matériau principal, les propriétés de l'inclusion et, surtout, la géométrie introduite.

"Ce qui est étonnant", dit Engheta, "c'est que les propriétés électromagnétiques du métamatériau résultant peuvent être entièrement différentes de celles qui le composent."

Plus grands que la somme de leurs parties, les métamatériaux offrent une belle allégorie de l'approche d'Engheta en matière d'ingénierie : des points de vue distincts, réfléchis et combinés, produisent des résultats plus précieux que chacun aurait pu imaginer individuellement.

C'est une forme rare de créativité en science de se concentrer davantage sur les questions posées que sur les réponses attendues.

Engheta est connu pour poser deux questions en particulier : "Et si ?" et pourquoi pas?"

Ces questions expriment une philosophie des sciences aussi engagée dans l'enseignement que dans la recherche.

"Les contributions de Nader à son domaine comprennent une ampleur et un impact qui ne sont pas souvent vus par un seul individu", a déclaré Vijay Kumar, doyen de la famille Nemirovsky de Penn Engineering. "Il est également l'un des enseignants et des mentors les plus aimables et les plus engageants que nous ayons dans notre faculté."

La génération d'ingénieurs qui se sont formés avec lui avant de partir à la tête de leurs propres laboratoires l'affirment, soulignant l'influence de sa pensée positive et originale.

"J'ai choisi Penn Engineering en raison de l'approche scientifique de Nader", explique Davoyan. "Il regarde les problèmes sous des angles inattendus. Il trouve des enquêtes que personne ne fait. Je travaillais aussi sur l'optique et les métamatériaux, et il était un grand nom dans le domaine. Mais, s'il avait travaillé dans un domaine complètement différent, j'aurais quand même appris de lui."

Mario Mencagli, professeur adjoint de génie électrique et informatique à l'Université de Caroline du Nord à Charlotte et un autre des anciens boursiers postdoctoraux d'Engheta à Penn, souligne son engagement singulier envers la compréhension.

"Il aime aller en profondeur", dit Mencagli. "Nous développions de nouvelles technologies et améliorons leurs capacités, mais cela ne suffisait jamais. Nous devions également comprendre la physique derrière ce qui se passait. J'ai beaucoup appris de cela. Parfois, nous essayions presque de nous perdre, de simplifier un problème à un tel degré que nous pouvions discerner les lois physiques qui le sous-tendent. Une fois que vous avez atteint ce niveau de profondeur, vous pouvez vraiment construire."

Plus qu'un singulier souci de rigueur, l'orientation d'Engheta fait écho à celle de son héros, Nikola Tesla. Physicien théoricien, il aborde ce travail en technologue, rejetant les distinctions habituelles entre scientifique et ingénieur – le premier, étudiant des lois fondamentales de la nature, le second, constructeur de technologies optimisées pour les contraintes de la nature. Engheta a fait sa marque avec des interventions théoriques audacieuses qui repoussent les limites de ce qui est scientifiquement possible et des outils qui donnent vie à ces nouvelles compréhensions du monde.

Humeyra Caglayan, professeur d'optique expérimentale et de photonique à l'Université de Tampere en Finlande, se souvient de ses recherches postdoctorales avec Engheta exactement en ces termes.

"En tant que physiciens, nous cherchons toujours à comprendre comment les choses fonctionnent", explique Caglayan. "Mais parfois, il nous suffit d'en rester là. Nader, cependant, veut toujours encadrer cet effort comme menant à une technologie qui peut être utilisée au cours de notre vie. C'est très unique."

Andrea Alù, professeur distingué à la City University de New York, professeur Einstein de physique au Graduate Center, CUNY et directeur fondateur du Advanced Science Research Center, CUNY, a régulièrement copublié avec Engheta depuis ses études de premier cycle en tant qu'étudiant invité à Penn.

"Nous travaillons bien ensemble parce que nous apprécions tous les deux la curiosité en soi", déclare Alù. "Les résultats ne suffisent pas. Jusqu'à ce que nous saisissions vraiment quelque chose, nous ne sommes pas satisfaits. Nader est un disciple d'une extrême clarté, et j'ai appris cela de lui. Quand les gens lisent les articles de Nader, ils sont excités et absorbent vraiment des choses."

Alan Willner, éminent professeur de génie électrique et informatique à l'USC et expert en sciences optiques, est d'accord.

"Chaque fois que vous parlez à Nader, votre cerveau fourmille du nombre de nouvelles idées qui circulent. Et son génie est inséparable de son empathie. Il résume les choses aux problèmes les plus fondamentaux. Avec chaleur, gentillesse et encouragement, il peut magistralement expliquer n'importe quoi à n'importe qui, et il y a plusieurs couches à son explication. Si vous en savez un peu, vous en apprenez beaucoup. Si vous en savez beaucoup, vous en apprenez encore beaucoup."

Un acte d'équilibre entre innovation - "" Plus c'est fou, mieux c'est ", rigole Mencagli - et véritable connexion, la carrière d'Engheta, comme sa conversation, est incapable de suivre des chemins prévisibles.

"Ses 'par les chemins' sont célèbres", dit Brongersma. "Vous lui poserez une question et il commencera à répondre, mais avant qu'il n'ait fini de répondre, il dira" au fait "et une autre dimension entrera en jeu. Dans environ cinq minutes, vous reviendrez à la conversation d'origine, mais il pourrait y avoir un ou plusieurs" au fait "avant que tout ne soit correctement abordé et résolu."

C'est la grammaire d'une personne intéressée à aller au cœur des choses. Et dans la science d'Engheta, le cœur a un double sens.

Ses mentorés et collègues parlent avec une égale passion de ses gestes personnels de soins et de ses encouragements professionnels à penser librement à la science qui les inspire. Les cadeaux pour les nouveaux-nés se mêlent aux dilemmes mathématiques, et les demandes de renseignements sur les amis et la famille circulent librement parallèlement aux progrès de la conception d'expériences.

Les recherches d'Engheta continuent d'inspirer et de repousser les limites. Il développe actuellement des métamatériaux pour servir de matériel aux ordinateurs analogiques, qui affichent déjà le potentiel de briser un jour les plafonds de vitesse et d'efficacité énergétique de la révolution numérique. Sa curiosité a abouti à des appareils qui exploitent la physique que peu de gens croyaient possible. Les combinaisons de métal et de semi-conducteur annulent mutuellement la diffusion de la lumière et fonctionnent ensemble comme une sorte de cape d'invisibilité. Un domaine qu'il a fondé, connu sous le nom de "métamatériaux epsilon proches de zéro", fournit des outils pour étirer les ondes lumineuses entre deux points distants de telle manière qu'ils se comportent comme un seul, atteignant une simultanéité étonnante.

Alors même que son travail continue d'être honoré au plus haut niveau, Engheta maintient sa réputation de curiosité et de gratitude envers tous ceux qui l'entourent, aussi ouvert aujourd'hui aux questions hors du champ gauche qu'il l'était le jour où le poisson-lune a traversé son bureau.

"Chacun a quelque chose à apporter", dit-il, "toutes les questions sont les bienvenues".

Andrea Alù est professeur distingué à la City University of New York, professeur Einstein de physique au Graduate Center, CUNY, et directeur fondateur du Advanced Science Research Center, CUNY. Il était étudiant de premier cycle invité à Penn en 2002. Son doctorat. Sa thèse à l'Université de Roma Tre, en Italie, a été co-dirigée par Engheta, et il a été boursier postdoctoral dans le groupe d'Engheta au Département de génie électrique et des systèmes de 2007 à 2008.

Mark Brongersma est professeur Stephen Harris au Département de science et génie des matériaux, ainsi que de physique appliquée, à l'Université de Stanford.

Humeyra Caglayan est professeur d'optique expérimentale et de photonique à l'Université de Tampere. Elle a été boursière postdoctorale à Penn Engineering au Département de génie électrique et des systèmes de 2011 à 2013.

Artur Davoyan est professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial à UCLA. Il a été boursier postdoctoral à la faculté d'ingénierie et de sciences appliquées de l'Université de Pennsylvanie au sein du département de génie électrique et des systèmes de 2012 à 2015.

Nader Engheta est professeur H. Nedwill Ramsey de génie électrique et des systèmes à Penn Engineering, avec des nominations secondaires dans les départements de bio-ingénierie, de science et génie des matériaux, et de physique et astronomie à l'École des arts et des sciences.

Ahmad Hoorfar est professeur de génie électrique et informatique et fondateur et directeur du laboratoire de recherche sur les antennes à l'université de Villanova.

Vijay Kumar est doyen de la famille Nemirovsky de Penn Engineering et professeur au Département de génie mécanique et de mécanique appliquée avec des nominations secondaires dans les départements de génie électrique et des systèmes et d'informatique et de sciences de l'information.

Mario Mencagli est professeur adjoint de génie électrique et informatique à l'Université de Caroline du Nord à Charlotte. Il a été boursier postdoctoral au Penn Engineering au Département de génie électrique et des systèmes de 2017 à 2019.

Alan Willner est un éminent professeur de génie électrique et informatique et titulaire de la chaire professorale Andrew & Erna Viterbi à l'USC.