Le prix Nobel de physique 2016 : les nouvelles voies d’exploration des transitions de phase dans la matière condensée

21/12/2016
Auteurs : Marc Leconte
Publication REE REE 2016-5
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2016-5:17760

Résumé

Le prix Nobel de physique 2016 :  les nouvelles voies d’exploration des transitions de phase  dans la matière condensée

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16 Z REE N°5/2016 forcent la rotation de la molécule à s’effectuer toujours dans le même sens. Sous rayonnement ultraviolet, la molécule effectue une rotation de 180° autour de la liaison carbone centrale. Une deuxième impulsion lumineuse permet ensuite d’entretenir le mouvement de rotation. Le clou de cette in- vention a été la démonstration en 2011 par Bernard Feringa de la première « nanovoiture électrique » (figure 3). Quelles pourraient donc être les applications possibles de ces machines moléculaires ? Le jury du comité Nobel n’hésite pas à les comparer aux premières machines électriques du début du XIXe siècle. Toutefois il est trop tôt pour en éva- luer les retombées exactes, comme le précise Jean-Pierre Nierengarten, élève et proche collaborateur de Jean-Pierre Sauvage à Strasbourg, dans une interview donnée à l’Express. Ce chercheur entrevoit toutefois plusieurs pistes possibles : l’ordinateur moléculaire : en faisant passer l’anneau mis au point par Jean-Pierre Sauvage d’une position à une autre, on peut en effet obtenir un 0 ou un 1. Sous réserve de trouver le bon moyen de lire cette information, ses tra- vaux pourraient permettre de déboucher sur du stockage d’informations à l’échelle moléculaire ; la boîte moléculaire, vecteur de médicaments en nano- médecine. Celle-ci dûment programmée, délivrerait loca- lement et sur commande des substances actives dans l’or- ganisme à des fins thérapeutiques (tumeur cancéreuse) ; le « muscle moléculaire » en tirant parti des réalisations déjà effectuées par Feringa et al. sur des chaines molécu- laires qui peuvent se contracter ou s’étirer sous l’effet d’un stimulus. Le champ des applications de ces travaux reste donc très ouvert : machines programmables microscopiques, mi- cro-capteurs et micro-robots, systèmes de stockage d’éner- gie, etc. Nous ne sommes qu’à l’aube d’une rupture techno- logique dont les effets potentiels sur le grand public pourront se faire sentir dans plusieurs décennies. Q Alain Brenac Figure 3 : Représentation simplifiée du concept de nanovoiture électrique - © Johan Jarnestad, The Royal Swedish Academy of Sciences. Le prix Nobel de physique 2016 a été d’une part attri- bué à David J. Thouless et d’autre part et conjointement à Duncan M. Haldane et John M. Kosterlitz pour « Les décou- vertes théoriques des transitions de phase topologiques et phases topologiques de la matière ». Le comité Nobel a ainsi déjoué les pronostics qui pensaient voir récompenser la dé- tection des ondes gravitationnelles. Mais les recherches des trois chercheurs sont des travaux fondateurs qui apportent une vision nouvelle de la matière condensée. La science de la matière condensée Trois concepts en physique et en mathématiques sont derrière les prix de cette année à savoir : la topologie, les transitions de phase quantique et les états de la matière. C’est ce que le comité Nobel décrit comme de « belles idées physiques, mathématiques et profondes » et, de fait, les recherches des lauréats ont jeté les bases théoriques per- mettant d’expliquer une variété d’états de base de la ma- tière condensée, y compris les supraconducteurs et les films minces magnétiques. La topologie est le concept commun aux travaux de Hal- dane, Kosterlitz et Thouless. Cette branche des mathéma- tiques décrit les propriétés qui demeurent inchangées quand un objet est modifié ou déformé après une série de transfor- mations mathématiques. Le deuxième concept est celui de transition de phase de la matière. Une transition de phase se produit lorsque la matière change d’une forme à une autre, comme l’eau liquide vers la glace. Aux très basses tem- pératures, proches du zéro absolu, la matière présente de nouvelles phases étranges et à l’échelle atomique les effets quantiques deviennent très prépondérants. Les modèles de transition avaient comme paramètres dimensionnant la tem- pérature, la dimension et la maille du réseau. A partir d’une certaine température, la transition dans la matière se carac- térise par des interactions à courte portée (entre atomes voi- sins) mais il apparaît aussi des interactions à longue portée. ACTUALITÉS Le prix Nobel de physique 2016 : les nouvelles voies d’exploration des transitions de phase dans la matière condensée REE N°5/2016 Z 17 Depuis les années 50 les physiciens expérimentent à basse température les propriétés nouvelles de la matière condensée qui est le troisième concept, grâce au refroidissement par laser. La physique utilise des modèles théoriques simplifiés à une ou deux dimensions d’espace pour décrire les états ferroma- gnétiques ou encore la conductance dans certains matériaux. Par exemple une transition de phase peut apparaître quand la température franchit un seuil dit critique, ce qui a pour consé- quence une diminution de la résistance et de la viscosité. Le modèle KT (Kosterlitz et Thouless) Pendant longtemps, les modèles théoriques ne permet- taient pas d’envisager des transitions de phase dans les sys- tèmes à deux dimensions (des couches ultra fines) à très basse température. Le bruit thermique, même à température proche du zéro absolu, devait empêcher toute transition de phase. Mais en 1972, Kosterlitz et Thouless ont identifié un nouveau type de transition de phase dans des couches extrê- mement minces, où les défauts topologiques jouent un rôle crucial. Ils ont pu montrer que la supraconductivité ou la su- perfluidité peuvent se produire dans les couches 2D à basse température lorsqu’il n’existe qu’une seule couche d’atomes qui permet l’assimilation du système à une surface. A ces températures les fluctuations de grande longueur d’onde (devant la maille du réseau), également appelées ondes de spin, sont les seuls phénomènes structurants et le système, Les modèles physiques des transitions de phase En 1967 le physicien Phillip Anderson renomme la physique du solide en physique de la matière condensée. La matière condensée permet d’étudier les phénomènes critiques dans des états solides présentant un petit nombre de dimensions spatiales. La transition ferromagnétique est un phénomène très complexe et a été décrite par différents modèles. Le premier d’entre eux présenté dans les années 20 est le modèle d’Ising qui, tout en simplifiant la situation réelle, tente de conserver les caractères principaux du ferromagnétisme. Le modèle dépend de deux para- mètres fondamentaux qui sont la dimension d’espace pour les calculs d’interaction du réseau, 1D, 2D ou 3D, et un facteur d’ordre noté n qui désigne la nature de la représentation de l’aimantation dans le modèle, utilisé comme un nombre pour n =1, un vecteur à partir de n = 2 et plus en fonction de la dimension d’espace. Le modèle d’Ising 1D avec l’approximation n = 1 est resté longtemps un bon modèle mais certaines prédictions étaient inexactes quantitativement. Pour deux dimensions (figure 1), le modèle devient très difficile à calculer analytiquement. Cela a été fait par Onsager en 1944 mais sans champ extérieur et il n’existe pas de solution aujourd’hui pour le modèle 3D. Cependant la solution d’Onsager prouvait l’existence d’une transition de phase ferromagnétique. D’autres modèles ont été proposés comme celui de Guinzburg-Landau qui ont montré qu’un certain nombre de paramètres, appelés exposants critiques, étaient déterminants pour les transitions de phase. Le calcul de ces exposants s’avérait le plus souvent difficile et en 1972 Kenneth G. Wilson proposa d’utiliser les techniques de renormalisation utilisées dans l’électrodynamique quantique et plus généralement dans le modèle standard des particules élémentaires. Avec cette technique des propriétés nouvelles sont apparues comme les vortex, les ondes de spin qui ont alors été traitées par les modèles dans le cadre de la physique quantique. Il devenait nécessaire de disposer d’un nouveau type de théorie dans lequel les concepts topologiques puissent trouver toute leur place. C’est dans ce contexte de connaissance que Kosterlitz et Thouless ont propo- sé leur modèle de transition de phase topologique dans des systèmes 2D avec n = 2. Leur travail a joué un rôle dans les développements ultérieurs sur la théorie des nouvelles phases de la matière condensée. Figure 1 : Modèle d’Ising du premier ordre, n = 1. Les spins représentés par les flèches sont modélisés par un nombre qui ne peut prendre que deux valeurs. Si le modèle est d’ordre 2 en 2D, les flèches sont de vrais vecteurs. ACTUALITÉS 18 Z REE N°5/2016 Figure 2 : Transition de phase. Celle-ci intervient lorsqu’une phase de la matière se transforme en une autre, comme par exemple la glace se transforme en eau. Kosterltz et Thouless ont décrit une transition de phase topologique dans une couche très mince à très basse température. A cette température, des paires de vortex se forment mais se séparent brusquement si la température vient à excéder la température de transition. Source : Royal Swedish Academy of Sciences. © Johan Jarnestad. dans lequel il est possible de trouver des îlots d’aimantation de toutes les tailles, est dit quasi-ordonné. Il n’existe pas de vortex libre mais il est possible de trouver des vortex associés par paires à des vortex de vorticité opposée qui modifient le système sur de petites distances (de l’ordre de la maille). Quand la température augmente, la taille des paires vor- tex-antivortex augmente et finit par diverger à la température critique : il y a alors transition de phase et des vortex libres apparaissent perturbant le quasi ordre des ondes de spin. La figure 2 illustre cette transition. Selon le comité Nobel, le travail des deux chercheurs « a donné lieu à une toute nouvelle compréhension des transi- tions de phase, qui est considérée comme l’une des décou- vertes les plus importantes du 20e siècle dans la théorie de la matière condensée physique ». Une propriété remarquable de cette transition est qu’elle s’applique à différents types de matériaux. Cette transition topologique, maintenant connue sous le nom de transition KT (Kosterlitz-Thouless), se pro- duit principalement grâce aux configurations de tourbillons de spins électroniques dans des réseaux à deux dimensions assimilables à des surfaces. La transition de phase quantique d’un état de la matière à l’autre se déclenche à la tempéra- ture dite critique. Cette transition KT a depuis été utilisée pour étudier les supraconducteurs et les suprafluides. Elle a également été appliquée à des transitions de phase qui se produisent dans un film mince ferromagnétique refroidi en dessous de la température de Curie avec les spins alignés, donnant lieu à une aimantation nette. L’effet Hall quantique Au début des années 1980 le physicien allemand Klaus von Klitzing a découvert l’effet Hall quantique ce qui lui a valu en 1985 le prix Nobel de physique. L’effet Hall classique est fondé sur l’apparition d’une tension mesurable entre les deux faces d’une feuille métallique placée dans un champ magnétique perpendiculaire quand on fait passer un courant le long de sa longueur. L’effet Hall quantique est également observé dans les ma- tériaux à deux dimensions. Klitzing a étudié une couche conductrice en sandwich entre deux couches semiconduc- trices refroidies juste au-dessus du zéro absolu et placée dans un champ magnétique fort. Si l’on fait varier de façon continue le champ magnétique, la tension de Hall est quan- tifiée à des valeurs discrètes, très spécifiques. Ces valeurs semblent être indépendantes du matériau utilisé et ne va- rient pas lorsque des paramètres expérimentaux tels que la température, le champ magnétique ou la quantité d’im- puretés des semi-conducteurs dans l’échantillon, sont mo- difiées. Un changement important dans le champ magné- tique entraine une évolution par palier de la conductance, elle aussi quantifiée. Une réduction de la force du champ magnétique entraine une conductance double, puis triple et ainsi de suite. Une comparaison entre le courant dans le conducteur et la tension de Hall a montré que la résistance de Hall résultante pouvait s’écrire h/Ne2 , N étant un entier. La physique ne permettait pas d’expliquer cette évolution par paliers. David Thouless a trouvé une solution appropriée en démontrant que ces nombres entiers étaient topologiques dans leur nature. En effet, le comportement collectif des électrons dans la couche mince du film conducteur peut être considéré comme un fluide quantique topologique. Dans un tel fluide, la conductance est décrite par le mouvement col- lectif des électrons et leur topologie entraine des transitions par paliers discrets. ACTUALITÉS REE N°5/2016 Z 19 Les symétries de Haldane Duncan Haldane étudiait dans les années 80 les proprié- tés de symétrie des chaînes d’atomes magnétiques. Il a dé- montré que les chaînes magnétiques avaient des propriétés fondamentalement différentes selon que l’atome magnétique était de spin entier ou demi entier. Il a montré que les chaînes de spin entier présentaient des transitions topologiques, tan- dis que des chaînes de spin impair ne sont pas topologiques. En 1988 Haldane a émis l’hypothèse que ces phénomènes étaient dus à l’écart de spin dans le spectre d’excitation pour les atomes de spin entiers, écart qui n’existe pas pour les atomes de spin demi-entier. À l’époque, le raisonnement de Haldane n’avait pas fait l’unanimité des physiciens, mais il a depuis été vérifié expérimentalement. Haldane a également contribué à créer des liens entre la mécanique statistique, la physique quantique à plusieurs corps et la physique des hautes énergies. Ces travaux sont aujourd’hui à la pointe de la recherche sur la matière condensée et ces matériaux sont en première ligne pour les utilisations potentielles de la pro- chaine génération de dispositifs électroniques. Les applications de ces découvertes des années 70 et 80 font l’objet de beaucoup de recherches actuelles comme par exemple les skyrmions1 , le graphène ou encore les fermions de Majorana2 et constituent autant de potentialités pour la recherche dans le domaine du calcul quantique. 1 Voir REE n°3/2014 p.7. 2 Voir REE n°4/2015 p.13 Des chercheurs américains venus du Royaume-Uni David Thouless est né en 1934 à Bearsden, Ecosse. Il a obtenu son doctorat en 1958 à l’université Cornell aux États- Unis. Il était professeur de physique mathématique à l’univer- sité de Birmingham au Royaume-Uni avant de rejoindre l’uni- versité de Washington en 1980 où il est professeur émérite. Il est récipiendaire de la moitié du prix Nobel Duncan Haldane est né à Londres en 1951 et a obtenu un doctorat à l’université de Cambridge en 1978. Il est professeur de physique titulaire de la chaire Eugene Higgins à l’université de Princeton. Il est récipiendaire du quart du prix Nobel Michael Kosterlitz est né en 1942 à Aberdeen, en Écosse et a étudié la physique à l’université de Cambridge avant d’ob- tenir un doctorat à l’université d’Oxford en 1969. Il est “Harri- son E. Farnsworth Professor of physics” à l’université Brown de Rhode Island. Kosterlitz a en outre collaboré avec l’université de Birmingham, l’Instituto di Fisica Teorica à Turin en Italie et l’université Cornell. Il est récipiendaire du quart du prix Nobel. Q Marc Leconte Figure 3 : De gauche à droite : David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz. ACTUALITÉS De l’hélium 3 sur la Lune : pour quoi faire ? L’hélium-3 est un isotope stable de l’hélium. Son noyau com- porte deux protons et un seul neutron. Tout comme l’hydrogène, l’hélium-3 provient essentiellement de la nucléosynthèse primor- diale, aux premiers instants de l’Univers, et n’est pas issu de la nucléosynthèse stellaire. Il est présent dans les couches externes du Soleil et le vent solaire en envoie vers le système solaire. Il est repoussé par le champ magnétique terrestre, par contre son accumulation à la surface de la Lune est facilitée par l’absence d’atmosphère et de champ magnétique sur notre satellite. Si des échantillons de régolite lunaire furent ramenés par les missions Apollo dans les années 1970, ce n’est que dans les années 1980 que l’équipe de Gerald Kulcinski, de l’uni- versité du Wisconsin, étudiant les différents types de réaction impliquant les isotopes de l’hydrogène et de l’hélium, s’est rendu compte que celles utilisant l’hélium-3 ne produisaient aucun neutron mais, chose révolutionnaire, des protons, c’est-à-dire des particules chargées et stables. L’hélium-3 a la propriété d’être un fort absorbant de neu- trons. Cette particularité fait qu’il est utilisé sur certains ré- acteurs de recherche pour engendrer des transitoires rapides de puissance. Des tubes placés à l’intérieur du réacteur sont remplis d’hélium 3. Ils sont en communication avec un réser- voir mis sous vide par l’intermédiaire de vannes. Leur ouver- ture déclenche une dépressurisation rapide d’hélium 3 dans le réacteur provoquant une disparition d’absorbant donc une augmentation de la puissance. En dehors de cette utilisation de contrôle, la fusion nu- cléaire de l’hélium-3 avec le deutérium se produit selon la réaction : deutérium + hélium 3 A (hélium 4 + 3,67 MeV) + (proton + 14,7 MeV) [1]. Une telle réaction ne produit en elle-même aucun dé- chet ou sous-produit radioactif, seulement de l’hélium-4 et des protons. L’hélium-3 pourrait donc devenir, dans un futur