Sur un plan fondamental, la réponse de la matière à la lumière¹ s'élabore au niveau microscopique² des atomes. L'énergie portée par la lumière est transférée aux électrons qui gravitent autour des noyaux de ces atomes pour les porter à un niveau d'énergie plus élevé. L'atome se trouve alors dans un état dit excité. L'état stable de la matière étant un état de repos dit fondamental, l'atome va tendre à y revenir en se désexcitant par retour des électrons vers leur énergie de départ via un processus dit de relaxation. Il existe plusieurs manières pour un atome excité par un photon de relaxer au niveau fondamental.

Si cette relaxation se fait de manière non radiative, c'est à dire sans émission de lumière, le photon excitateur est effectivement absorbé, et si le phénomène se produit dans le spectre visible³, la lumière réfléchie ou transmise est privée d’une de ses composantes et apparaît sensiblement de la couleur complémentaire de celle qui a été absorbée. Nous sommes en présence de l'effet typique de coloration par un pigment comme on en rencontre dans la peinture.

Dans les autres cas, la relaxation est radiative. Il y a donc émission d'un photon d'une énergie inférieure ou égale à celle du photon excitateur, car l'électron qui cède son énergie au photon émis en relaxant ne peut pas redescendre plus bas que son niveau fondamental de départ. En d'autres termes, il y a émission d'une lumière de longueur d'onde supérieure ou égale à celle de la lumière excitatrice; si la lumière excitatrice est bleue, l'émission de lumière pourra donc se faire du bleu au rouge ou au-delà, dans l'infrarouge.

L'émission de lumière à une longueur d'onde différente de celle du rayonnement excitateur est appelée luminescence ou phosphorescence suivant la durée de vie du processus. Les terres rares, par exemple l'europium ou le strontium, ont ainsi la capacité de luminescer. Il faut noter que la longueur d'onde du rayonnement excitateur doit en général se trouver dans l'ultraviolet, donc hors du spectre visible, en dessous du violet. Il existe quelques peintures dont l'effet coloré est ainsi renforcé par l'utilisation de pigments luminescents.

Le cas le plus courant est en fait celui où l'émission radiative se fait à la même longueur d'onde que le rayonnement excitateur. D’un point de vue colorimétrique, la lumière n’est pas modifiée et le processus par lui-même ne peut générer d’effets colorés. Ceux-ci n’apparaissent que par la suite, lors de phénomènes impliquant des structures d’échelles supérieures jouant non pas sur la longueur d'onde du rayonnement mais sur sa direction d'émission⁴; c’est un point commun aux effets colorés dont on qualifie l'origine de physique ou structurale. Ce sont ces différentes structures que nous nous proposons d’examiner maintenant.

Il faut là encore distinguer deux types de comportements associés à des structures de tailles très différentes.

• Des structures macroscopiques, dont les dimensions caractéristiques sont très grandes devant la longueur d’onde (elle-même de l'ordre du demi-micron, soit 500 nanomètres). Les phénomènes mis en cause ici sont la réfraction d’une part et la dispersion d’autre part, c'est-à-dire la dépendance de l’indice optique avec la longueur d’onde. Les lois de Snell-Descartes montrent alors que tout objet présentant à la lumière des faces non parallèles dispersera spatialement les composantes de cette dernière, faisant apparaître un continuum de couleurs. C’est ce que l’on observe avec un prisme ou une goutte d’eau (arc-en-ciel).

• Les autres structures sont au contraire de dimensions inférieures à la longueur d’onde et le phénomène mis en cause est la diffraction de l’onde par des objets régulièrement disposés. Ces différentes structures vont de la plus simple, le film mince, à la plus complexe : le cristal tridimensionnel.

Jacques Lafait et Serge Berthier
Institut des NanoSciences de Paris