Prix Nobel de Physique, attribué à trois Britanniques pour leurs recherches sur la matière

 

Le Nobel de physique a été attribué, mardi 4 octobre, à trois Britanniques travaillant aux États-Unis sur la matière : David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane et J. Michael Kosterlitz. Ils ont été récompensés « pour les découvertes théoriques des transitions de phase topologique et des phases topologiques de la matière », a indiqué le jury.

« Leurs découvertes ont permis des avancées dans la compréhension théorique des mystères de la matière et créé de nouvelles perspectives pour le développement de matériaux innovants », a écrit la Fondation Nobel. Elles ont aidé à la création de concepts nouveaux et importants de la physique, salue le comité.

M. Thouless, 82 ans, né en Ecosse, est professeur émérite à l’université de Washington à Seattle (nord-ouest des Etats-Unis). Il obtient la moitié du prix, soit 4 millions de couronnes (417 000 euros). L’autre moitié est partagée entre M. Haldane, 65 ans, né à Londres, qui enseigne à l’université de Princeton (New Jersey), et M. Kosterlitz, également né en Ecosse, en 1942, de l’université Brown à Providence (Rhode Island).

Des formes en une ou deux dimensions

Les trois lauréats ont utilisé les outils mathématiques de la topologie pour expliquer des états particuliers de la matière – comme la superconduction, la superfluidité – liés à des changements de phase, explique le comité Nobel.

Kosterlitz et Thouless les ont appliqués dans des milieux constitués de couches très fines, qui peuvent être considérés comme des mondes plats, à deux dimensions. Haldane a quant à lui étudié des formes de la matière constituées de fils très fins assimilés à des entités unidimensionnelles.

Le prix Nobel de physique a été attribué mardi à trois Britanniques travaillant aux Etats-Unis, David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane et J. Michael Kosterlitz, pour la découverte théorique des transitions de phases topologiques dans la matière.

Le prix Nobel de physique a été attribué mardi à trois Britanniques travaillant aux Etats-Unis, David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane et J. Michael Kosterlitz, pour la découverte théorique des transitions de phases topologiques dans la matière. JONATHAN NACKSTRAND / AFP

La topologie, clé secrète des changements de phase

Avant les travaux de Thouless et de son étudiant Kosterlitz, un grand nombre de phénomènes, dits de transition de phase, restaient inexpliqués. Par exemple, pourquoi certaines formes d’hélium perdent toute viscosité (superfluidité) à basse température. Ou bien comment des matériaux n’opposent plus de résistance au courant électrique (supraconductivité) lorque la température baisse. C’était même pire : les théories en vigueur interdisaient l’existence de ces phénomènes, dès lors que ces systèmes sont à deux dimensions (des films) ou à une dimension (des fils).

L’idée des deux chercheurs a été de considérer le rôle des « défauts » dans ces structures, par exemple des tourbillons. Ils ont alors montré en 1972 que, lors des transitions, ces défauts s’apparient soudainement et, mieux, qu’on ne peut les détruire. De même qu’on ne peut passer d’un double donut avec deux trous, à un beignet à un seul trou, sans couper la pâte. C’est ce qu’on appelle des défauts topologiques. Armé de ces concepts, les transitions de phase superfluides, supraconductrices ou magnétiques… à basse dimension s’expliquent. Un troisième nom, celui de Vadim Berezinskii (1935-1980), a été ajouté à cette théorie dite « BKT ». Le chercheur soviétique avait publié la même idée en Russie quelques années auparavant, sans que ses confrères de l’autre côté du rideau de Fer ne le sachent.

Des applications prometteuses

Le troisième lauréat s’attaquera à d’autres transitions et contribuera à faire émerger de nouveaux matériaux, les isolants topologiques. Ces derniers ont un cœur isolant et des bords métalliques, justement à cause de défauts topologiques créés dans leur structure. Ils pourraient donc remplacer les composants actuels à base de semi-conducteurs dans l’électronique, dont la miniaturisation touche à son terme à cause de limites physiques.

Lemonde.fr par  David Larousserie Journaliste au Monde

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