Je serais surpris si vous n’étiez pas assis à moins de quinze mètres de l’une des inventions les plus connues de James Edward Maceo West – le microphone électret. Bien que les microphones MEMS aient connu une augmentation spectaculaire à mesure que la technologie des smartphones progresse, les microphones à électret se trouvent toujours au sommet du trône de la capture audio à faible coût et haute performance. Ce qui est surprenant à propos de cette invention qui change le monde, c’est que la collaboration avec le co-inventeur Gerhard Sessler a commencé alors que James West était encore à l’université, la version finale de l’électret prenant vie aux Bell Labs quatre ans seulement après l’obtention de son diplôme.

L’éducation d’un hacker

L’approche d’apprentissage de James semble très familière: «Si j’avais un tournevis et une paire de pinces, tout ce qui pouvait être ouvert était en danger. J’avais ce besoin de savoir ce qu’il y avait à l’intérieur. Il mentionne un besoin compulsif de comprendre comment les choses fonctionnent et une incapacité à avancer tant qu’il n’a pas débloqué cette connaissance. Né en 1931, un premier coup de pinceau avec la tension secteur l’a lancé dans son voyage.

Source de l’image: Programmes culturels de l’Académie nationale des sciences

Ayant trouvé une radio dans la poubelle, il entreprit de la réparer. James décrit l’événement en mentionnant que c’était dans les jours avant que les maisons aient des sorties dans les murs; la seule source d’électricité était la prise de courant. Il s’est levé sur un lit et en branchant la radio, il a reçu un choc qui l’a empêché de lâcher prise pour rompre la connexion par lui-même. Son frère aîné l’a relâché et, bien qu’il n’ait pas été gravement blessé, il est devenu déterminé à comprendre comment fonctionnait l’électricité.

Cette curiosité a fait de lui un assistant parfait pour un cousin qui occupait des emplois dans le câblage des maisons rurales. Au lycée, il était fasciné par le système téléphonique, mais ses parents lui interdisaient d’utiliser le téléphone sans raison sérieuse. Lui et un ami ont volé du fil de fer sur le terrain d’une compagnie de téléphone, passant une ligne entre leurs maisons. Ils ont fabriqué leur propre système téléphonique.

Le long chemin vers une carrière en physique

Il est évident que James avait un fort intérêt pour les sciences, mais ses parents ne soutenaient pas cette poursuite comme cheminement de carrière. Ayant grandi en Virginie, les lois Jim Crow et le racisme généralisé signifiaient que ces professions étaient fermées aux Noirs.

Ses parents avaient le pouvoir sur le sac à main, alors James est entré à l’école comme pré-médical. Ils espéraient qu’il allait s’entraîner avec son oncle qui avait construit une clinique – mais James n’a pas apprécié. Son père était catégorique sur le fait qu’il s’y tenait ou ne prenait même pas la peine d’aller à l’école du tout, allant jusqu’à présenter James à deux hommes noirs qu’il connaissait qui avaient obtenu leur doctorat mais qui ne pouvaient pas trouver d’emploi.

En travaillant pour changer de spécialité, il abandonna l’université de Wilberforce à mi-parcours en 1950 et fut enrôlé dans la guerre de Corée avant de pouvoir recommencer. Deux ans, et deux cœurs violets plus tard, James était de retour de la guerre et entra à l’Université Temple où il étudia la physique.

La vie chez Bell Labs

Postulant en masse pour des stages affichés sur un tableau d’affichage à l’école, James a trouvé son chemin à Murray Hill, l’emplacement des laboratoires Bell d’AT & T. Il a été affecté au département Acoustic Research pour étudier le retard interaural. C’est la différence entre votre oreille gauche et votre oreille droite détectant le son, et c’est une façon de localiser la direction d’où proviennent les sons.

Le microphone électret est petit, abordable et omniprésent

Le laboratoire utilisait la technologie des microphones à condensateur comme écouteurs, mais ils émettaient une quantité de son très très limitée et cela limitait les recherches sur le sujet. James West a trouvé un document de recherche allemand sur les éléments diélectriques solides. Il a changé le banc d’essai pour utiliser cette technologie, alimentant ses nouveaux écouteurs avec une batterie de 500 V (!). Cela a fonctionné et son talent a fait tourner les têtes dans les laboratoires.

James est retourné à l’école à l’automne avec un ressort dans sa démarche, mais en novembre, l’équipe de recherche appelait avec un problème: les écouteurs avaient cessé de fonctionner. Ils lui ont envoyé un billet pour revenir à Murray Hill et dépanner. Une fois de plus, la compulsion de compréhension le frappa, le conduisant dans un terrier de lapin. Ce fut le début de sa marche pour percer le secret des électrets et, en recherchant le phénomène, il commença à travailler avec Gerhard Sessler. Les deux allaient inventer ensemble le microphone électret.

Un microphone extraordinaire

James West et Gerhard Sessler aux Bell Labs en 1976 [image source (PDF): Center for History of Physics at AIP]

Deux technologies de microphone étaient dominantes au moment où James West a obtenu son diplôme de Temple en 1957, le microphone en carbone et le microphone à condensateur. Les micros à condensateur avaient un son bien supérieur, mais ils utilisent des plaques chargées qui nécessitent un potentiel très élevé de quelques centaines de volts. Cela ne fonctionnerait pas avec le système téléphonique à moins qu’une batterie ou une autre source ne soit ajoutée au combiné, de sorte que le système téléphonique d’AT & T a continué à utiliser l’ancienne technologie de microphone en carbone.

En fin de compte, le travail effectué par West et Sessler est une histoire de science des matériaux. (C’est un thème récurrent pour les inventions des Bell Labs, je recommande vivement de lire L’usine d’idées pour une plongée plus approfondie). Leur conception à électret utilise un diaphragme constitué d’un film polymère recouvert de métal qui était capable de piéger de manière fiable une charge et de la retenir en permanence. Il a livré les qualités des micros à condensateur mais n’a pas nécessité de recharger les plaques. Mieux encore, il l’a fait à une fraction du prix. James West explique cela dans ses propres mots lors d’une fantastique série d’entretiens vidéo menés par The History Makers en 2013 (gratuit à regarder mais inscription requise):

… Lorsque nous avons publié en 1962, nous étions convaincus d’après les expériences que nous avions faites en laboratoire, que nous avions appris à piéger la charge dans ce matériau. Et que l’énergie d’activation, la quantité d’énergie que vous deviez appliquer à ce piège pour s’ouvrir, était très élevée, 150 degrés C, d’accord. Ce qui signifiait que nous pouvions extrapoler la durée de vie à température ambiante, à partir de ce que nous appelons les parcelles d’Arrhenius, cela disait que la durée de vie à température ambiante de cet électret serait de deux, trois, quatre cents ans.

Les microphones à électret pouvaient être fabriqués jusqu’à quatre ordres de grandeur de moins que les microphones à condensateur existants, résolvaient complètement le problème des tensions de polarisation élevées, duraient incroyablement longtemps sur une vaste plage de températures de fonctionnement, et ils sont assez petits. Ce n’était rien de moins qu’une percée étonnante. Dans les années 1970, ils faisaient leur apparition dans les produits de consommation et sont depuis des décennies la technologie incontournable. Pour plus d’informations sur les microphones à électret, consultez l’article de Jenny List de l’année dernière.

Dessin de brevet de microphone électret

James a continué à travailler chez Bell Labs pendant plus de quatre décennies. Pendant ce temps, il a publié de nombreux articles dans des revues et des livres, et a accordé plus de deux cents brevets. En repensant à son séjour là-bas, il mentionne que le caractère ouvert du travail – être capable de résoudre des problèmes qui l’intéressaient et de travailler avec d’autres dans différentes disciplines – l’a maintenu perpétuellement engagé dans chacune de ses activités.

Un leader pour des organisations inclusives et équitables

La mère de James West, Matilda Omega Miller West, était l’une des personnes présentées dans le livre Figures cachées. Elle a travaillé comme mathématicienne (à l’époque, on les appelait ordinateurs) pour le Langley Research Center. Matilda était officier de la NAACP et James se souvient qu’elle a perdu son emploi à cause du sénateur Joseph McCarthyvue de cette organisation comme opposée et communiste. La propre carrière de James n’aurait peut-être pas eu lieu s’il avait écouté à l’époque les conseils soulignant le manque d’opportunités pour les Noirs dans les sciences. Il n’est pas surprenant qu’il veuille briser ces barrières à l’entrée pour les autres après lui. Au cours de son mandat chez Bell, et depuis sa retraite et son entrée à la faculté de l’Université Johns Hopkins en 2001, il a été un ardent défenseur de la promotion de la diversité dans tous les domaines de notre société.

Dans une vue d’ensemble avec L’acoustique aujourd’hui à partir de septembre dernier, James discute de son approche pour encourager l’inclusivité dans les domaines des STEM. Reconnaissant les absences des femmes et des minorités sous-représentées (W & URM dans la citation ci-dessous) comme un problème, le mentorat est l’un des moyens d’introduire le changement. Il raconte l’histoire d’une initiative STEM des écoles publiques de Baltimore qui présentait une très faible diversité lorsqu’il a rejoint le conseil d’administration, mais avec quelques années de travail, les étudiants du programme reflètent désormais plus étroitement la démographie réelle de la communauté:

Pour faire une histoire courte, l’entonnoir était vide et l’entonnoir doit être rempli, ou au moins partiellement, par des personnes W & URM qualifiées qui veulent entrer dans STEM. Si vous pouvez augmenter et ouvrir ce pipeline, cela n’apportera que des changements positifs. Comment puis-je vous aider? Trouvez et encadrez des étudiants qualifiés W & URM dans votre région et améliorez leur formation afin qu’ils aient l’opportunité et le potentiel d’un avenir dans les STEM.

Accolades et travaux en cours

À quel point le monde aurait-il été différent si James avait terminé ce diplôme de médecine? En tant que co-inventeur du microphone électret, il a eu un impact énorme et a été reconnu à plusieurs reprises pour cela. Il a reçu des doctorats honorifiques du New Jersey Institute of Technology, de l’État du Michigan, de U Penn, de Princeton et de Temple. En 2006, le président George W. Bush a décerné à James la Médaille nationale de la technologie et de l’innovation, l’un des nombreux prix qu’il a reçus.

À l’âge de 89 ans, il continue de poursuivre tout ce qui va au-delà de sa compréhension actuelle grâce à ses recherches à Johns Hopkins. Son brevet le plus récent a été publié en 2020 et applique la technologie électret à la récupération d’énergie.