Aux grands instruments de recherche du PSI, les physiciens continuent à réfléchir aux théories du prix Nobel

Cette année, le prix Nobel de physique a été décerné à des travaux théoriques sur l’état de la matière. Les lauréats, David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz, ont été récompensés pour leurs analyses des phases topologiques et des transitions de phase topologiques dans la matière. Leurs travaux se sont déroulés dans les années 1970 et 1980. Ils pourraient revêtir un jour une importance pratique pour des matériaux novateurs, le stockage de données et les ordinateurs quantiques.

Les lauréats ont ouvert la porte à un monde inconnu où la matière peut prendre des phases étranges. Ils ont utilisé des méthodes mathématiques avancées pour étudier des phases, ou états, inhabituels de la matière, comme les supraconducteurs, les superfluides ou les couches minces magnétiques, relève l’Académie royale des sciences de Suède.

Dans son rapport de synthèse, l’Académie cite également des expériences menées par Michel Kenzelmann sur ce qu’on appelle aujourd’hui, en référence à Duncan Haldane, la phase de Haldane et le gap de Haldane. Michel Kenzelmann est aujourd’hui responsable du Laboratoire des développements scientifiques et nouveaux matériaux à l’Institut Paul Scherrer PSI. Les travaux récompensés aujourd’hui par le prix Nobel sont de nature purement théorique, ils étaient aussi très controversés à leurs débuts, rappelle Michel Kenzelmann. Personne ou presque n’aurait imaginé à l’époque qu’ils puissent être réalisés dans la nature. Mais entre-temps, on y est arrivé, notamment dans le cadre d’expériences menées au PSI.

Les recherches de David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz relèvent du domaine des matériaux quantiques. Or ce domaine de recherche occupe une place centrale à l’Institut Paul Scherrer. Pour pouvoir étudier des matériaux quantiques novateurs, il faut de grands instruments de recherche comme ceux que nous avons au PSI, souligne Michel Kenzelmann. A l’avenir, la nouvelle installation du PSI, le SwissFEL, et le développement de la SINQ et de la SLS nous permettront d’en apprendre encore davantage sur eux.

La chimie des matériaux quantiques est importante, elle aussi, poursuit le chercheur. Avant de pouvoir les fabriquer sous la forme désirée, ces nouveaux matériaux, il faut commencer par les trouver. Or pour cela aussi, nous avons les connaissances et les moyens nécessaires au PSI.

L’aspect important de ces nouveaux matériaux sont les nouveaux états qu’ils adoptent, des états dans lesquels les électrons s’enchevêtrent sur de très grandes distances. Autrement dit, chaque électron sait ce que fait un autre électron très éloigné de lui.

Cet état enchevêtré (ou état intriqué) entraîne de nouvelles formes d’organisation dans les matériaux qui pourraient être utilisées dans la technologie: Ces nouveaux phénomènes d’organisation cachés pourraient être exploités dans le domaine du stockage de données, avance Michel Kenzelmann. Cette recherche est également indispensable pour le développement d’ordinateurs quantiques.

Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann