Des fonds européens à hauteur de 2,6 millions de francs pour de la recherche sur les interactions fondamentales dans certains aimants

Les interactions des plus petits composants de la matière sont au cœur des recherches de Christian Rüegg, physicien, chef de laboratoire à l'Institut Paul Scherrer PSI et professeur à l'Université de Genève. Ce chercheur est un expert dans le domaine du magnétisme quantique. En d'autres termes, il étudie certains aimants dont les propriétés sont déterminées par la mécanique quantique. Ce qui peut sembler exotique aux yeux du profane revêt une importance cruciale pour la science. Une importance d'ailleurs telle que Christian Rüegg se voit remettre un subside de recherche extrêmement prestigieux: l'ERC Consolidator Grant, attribué par la Conseil européen de la recherche (CER) de l'Union européenne. Cela représente un total de 2,4 millions d'euros sur une durée de cinq ans, soit 2,6 millions de francs suisses. Le contrat portant sur ce subside a été signé le 3 octobre. La période d'encouragement commence au 1er décembre 2016. Le montant peut être utilisé pour de nouveaux instruments de recherche et pour embaucher des collaborateurs scientifiques.

Les interactions entre les atomes magnétiques, ainsi que les effets quantiques qui en résultent dans les aimants qu'étudie Christian Rüegg dans le cadre de ses expériences, revêtent un intérêt théorique et pratique majeur: Nous aurons besoin de ces connaissances pour pouvoir construire des ordinateurs quantiques qui fonctionnent, explique-t-il. Ces ordinateurs quantiques pourraient un jour remplacer la technologie informatique actuelle. Exploitant les lois de la mécanique quantique, ils permettraient de toutes nouvelles approches en termes de calcul, de requêtes et de stockage des données. Sur bien des points, ils seraient donc nettement plus efficaces que les ordinateurs d'aujourd'hui.

Etudier les interactions et les effets quantiques au niveau fondamental

Alors que certains physiciens étudient les composants fondamentaux de l'univers – c'est-à-dire les particules élémentaires comme les atomes, les électrons ou les quarks – Christian Rüegg, lui, s'intéresse aux interactions fondamentales entre ces composants; car elles sont décisives, elles aussi, pour les propriétés électriques et magnétiques observables de la matière. A ce niveau fondamental, les effets de la mécanique quantique jouent un rôle important. Christian Rüegg étudie par exemple les questions suivantes: quels états les composants magnétiques de la matière – les atomes magnétiques – peuvent-ils adopter? De quelle manière les interactions entre eux se modifient-elles, par exemple quand la température chute, quand la pression augmente ou quand un champ magnétique agit depuis l'extérieur? Comment faire pour contrôler ces états et ces interactions, et comment les exploiter à l'avenir?

Christian Rüegg étudie ces aspects à l'aide d'expériences sophistiquées, menées entre autres à la source de neutrons SINQ au PSI. En laboratoire, il peut analyser directement les états et les interactions au niveau atomique, soit au niveau des plus petites unités de la matière.

Le chercheur va utiliser les fonds du subside ERC qui viennent de lui être attribués, entre autres pour construire un nouveau système magnétique capable de produire des pressions extrêmement élevées et des champs magnétiques extrêmement puissants à des températures proches du zéro absolu. Par ailleurs, il engagera quelques jeunes chercheurs qui viendront compléter son équipe de recherche actuelle.

Christian Rüegg est – de retour – au PSI depuis 2011, où il est chercheur et chef du Laboratoire de diffusion des neutrons et d'imagerie. Depuis 2011 également, il est professeur à l'Université de Genève. Argovien d'origine, il est ainsi de retour au pays. Jusqu'en 2011, Christian Rüegg a passé six ans au London Centre for Nanotechnology de l'University College et de l'Imperial College de Londres, où il a été postdoctorant, puis professeur assistant, après avoir soutenu sa thèse de doctorat au PSI et à l'ETH Zurich, au même laboratoire qu'il dirige aujourd'hui. Avant de recevoir l'actuel ERC Consolidator Grant, ce chercheur a déjà remporté des prix scientifiques prestigieux pour ses travaux sur le magnétisme quantique; entre autres l'Erwin Felix Lewy Bertaut Prize, le Nicholas Kurti European Science Prize, une bourse (fellowship) de la Royal Society en Grande-Bretagne et le Prix ABB de la Société suisse de physique.

Ici, au PSI, j'ai à disposition une combinaison unique d'installations de recherche et de savoir-faire, explique Christian Rüegg lorsqu'on l'interroge sur son retour au PSI. La source de neutrons SINQ et le futur laser à rayons X à électrons libres SwissFEL, notamment, sont importants pour sa recherche et ses futurs projets au PSI. Tout comme les experts que regroupe le PSI sur toutes ses installations de recherche dans de nombreux domaines scientifiques importants. La science est toujours un travail d'équipe, souligne le chercheur. Surtout lorsqu'on utilise des instruments nouveaux et très complexes.

Expériences sur des cristaux confectionnés sur mesure

Concrètement, Christian Rüegg étudie les états et les interactions élémentaires d'atomes magnétiques dans certains cristaux constitués de liaisons chimiques inhabituelles. Ces cristaux sont réalisés sur mesure: dans la grille cristalline, les atomes doivent être groupés par deux, les deux membres de chaque couple doivent être très proches l'un de l'autre et interagir de manière particulièrement soutenue. Ces deux atomes magnétiques et leurs interactions, c'est l'unité de base d'un système quantique que nous pouvons étudier de manière expérimentale, explique Christian Rüegg. Nous l'analysons comme un substitut de systèmes quantiques de toutes sortes et nous en combinons plusieurs pour former des structures complexes qu'on appelle systèmes quantiques pluri-particules.

Les cristaux de Christian Rüegg sont produits directement au PSI ou à l'Université de Berne. Leur taille peut atteindre un centimètre cube, car les différents signaux qu'en attend le chercheur sont très faibles. Il faut donc un nombre gigantesque de couples d'atomes dans un seul cristal pour amplifier le signal de manière ce qu'il puisse être mesuré au moyen d'un spectromètre. C'est pour cette raison également que le travail de Christian Rüegg nécessite une puissante source de neutrons et des instruments de haute précision. A la SINQ du PSI, ils sont à sa disposition. Les neutrons nous permettent d'obtenir des informations complètes sur ces systèmes quantiques magnétiques, et donc sur leurs interactions au niveau atomique, précise le chercheur. Ces informations sont très importantes pour décrire, comprendre et si possible optimiser de tels systèmes dans une perspective d'applications.

Etudier aussi la dynamique temporelle des systèmes quantiques au futur SwissFEL

Christian Rüegg prévoit d'élargir significativement ses méthodes grâce aux fonds ERC, avec des mesures fondées sur la durée. Ces dernières devraient devenir possibles grâce aux rayons X et être conduites au PSI à la Source de Lumière Suisse SLS, ainsi qu'au futur laser à rayons X à électrons libres SwissFEL. Au lieu des instantanés de la physique à l'état stable disponibles aujourd'hui, on obtiendrait ainsi pour la première fois une sorte de film des systèmes quantiques et de leur évolution dans le temps.

Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann

À propos du PSI

L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2000 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 370 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l'Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage).

(Mise à jour: mai 2016)