Peu d’explorateurs se sont plongés dans des mondes plus étranges que les trois plus récents lauréats du prix Nobel, qui viennent de remporter le prix Nobel de physique de cette année. Ces éminents physiciens ont été honorés pour leurs travaux sur les états les plus exotiques de la matière, en expliquant ses mystères fondamentaux et en ouvrant les portes de l'ère actuelle d'exploration et de développement de nouveaux matériaux tels que les métaux topologiques, les isolants et les supraconducteurs.
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L'Académie royale suédoise des sciences a conjointement attribué le prix, la moitié étant attribuée à David J. Thouless, de l'Université de Washington, et l'autre moitié, à F. Duncan M. Haldane, de l'Université de Princeton, et à J. Michael Kosterlitz, de l'Université Brown ». pour des découvertes théoriques sur les transitions de phase topologiques et les phases topologiques de la matière. »Si cela vous semble abstrait, vous n'êtes pas seul: les réalisations des gagnants étaient si ésotériques qu'un membre du comité a cherché à les démontrer en utilisant une foule de pains de petit-déjeuner.
Thouless, Haldane et Kosterlitz travaillent dans une partie du monde physique surréaliste que l’on pourrait qualifier de «plaines». Ce monde se trouve à la surface de la matière, ou à l’intérieur de couches tellement minces qu’elles sont essentiellement bidimensionnelles; En fait, certains travaux de Haldane se concentrent sur des fils si minces qu'ils sont fondamentalement unidimensionnels. Ici, la matière prend certaines de ses formes les plus étranges.
Au cours des années 1970 et 1980, les scientifiques ont révélé les secrets des formes étranges trouvées dans ce domaine, notamment les supraconducteurs, les superfluides et les films magnétiques minces. Ce matin, le physicien de l'Université de Stockholm, Thors Hans Hansson, membre du comité Nobel de physique, a expliqué le concept mathématique élégant utilisé pour les découvertes primées à l'aide d'un pain à la cannelle, d'un bagel et d'un bretzel.
La topologie est un système mathématique qui se concentre sur les propriétés qui ne changent que par incréments bien définis. Dans l'exemple de Hansson pour le petit-déjeuner, l'important est que le pain ne comporte pas de trou, le bagel a un trou et le bretzel deux trous. "Le nombre de trous est ce que le topologue appellerait un invariant topologique", a expliqué Hansson lors de la conférence de presse. «Vous ne pouvez pas avoir un demi-trou ou deux tiers des trous. Un invariant topologique ne peut avoir que des nombres entiers. ”
Il se trouve que de nombreux aspects de la matière exotique adhèrent également à ce concept à un trou et à deux trous.
En 1982, Thouless a utilisé cette idée pour expliquer le mystérieux effet Hall quantique de la conductance électrique. Dans une couche mince à très basses températures et à un champ magnétique élevé, la conductance électrique a été intégrée dans des unités pouvant être mesurées avec une précision extrême: d'abord rien, puis une unité, puis deux unités. Thouless a prouvé que les étapes de cet effet peuvent être expliquées par un invariant topologique. Cela a fonctionné par multiples d'un entier, un peu comme les nombres inchangeables de trous dans l'exemple du petit-déjeuner.
En 1988, Duncan Haldane a poussé cette ligne de recherche vers une nouvelle frontière, découvrant que de minces couches semi-conductrices peuvent abriter l'effet Hall quantique même sans champ magnétique.
La recherche des lauréats a également révélé de nouvelles phases de la matière pouvant être observées à des températures proches du zéro absolu (-273 ° C). En 1983, Haldane a découvert un ensemble d'atomes magnétiques dans une chaîne - le premier type de nouvelle matière topologique jamais découverte. Cet exploit lance une course permanente à la découverte de nouvelles phases topologiques de la matière cachée dans des couches, des chaînes et des matériaux tridimensionnels ordinaires.
Aujourd'hui, ces découvertes peuvent être considérées comme abstraites ou exotiques, mais elles pourraient un jour ouvrir la voie à la découverte de matériaux indispensables et banals, explique Hansson. "Ce qui est exotique pour nous maintenant pourrait ne pas l'être autant dans 20 ou 30 ans", a-t-il déclaré à la journaliste Joanna Rose quelques instants après l'annonce. «L’électricité était très exotique au début et n’est plus aussi exotique.»
La topologie a revu notre compréhension traditionnelle de la façon dont la matière change d’états. Généralement, un changement de phase se produit lorsque la température change, c'est-à-dire lorsque l'eau gèle. Mais à des températures extrêmement froides, les états familiers de la matière - gaz, liquides et solides - cèdent la place à de nouvelles phases et comportements bizarres. Les courants électriques peuvent circuler sans résistance, rendant possible le supraconducteur. De nouvelles phases matérielles telles que les superfluides (pour lesquels le russe Pyotr Kapitsa a remporté le prix Nobel de physique en 1978) peuvent tourner dans des vortex qui ne ralentissent jamais.
Au cours des années 1970, Thouless et Kosterlitz ont découvert une façon totalement nouvelle de déplacer la matière d’un état à l’autre dans cette zone étrange: une transition topologique entraînée par de petits tourbillons, comme de minuscules tornades dans le matériau plat. À basse température, les tourbillons forment des paires qui se séparent soudainement pour se séparer d'elles-mêmes lorsque la température atteint un point de transition.
Cette transition, appelée «transition KT», est devenue un outil révolutionnaire permettant aux scientifiques d’étudier la matière condensée, la physique atomique et la mécanique statistique.
Appelé par l'Académie, Haldane s'est déclaré surpris et satisfait de cet honneur. «Ce travail existait il y a longtemps, mais ce n'est que maintenant que de nombreuses nouvelles découvertes formidables basées sur ce travail original… se produisent maintenant», a-t-il déclaré. Hansson a repris à son compte ces propos, notant que des scientifiques du monde entier utilisent désormais ces outils pour travailler à des applications pratiques dans l'électronique, de nouveaux matériaux et même des composants dans un nouvel ordinateur quantique.
Mais avant tout, a souligné Hansson, le prix visait à honorer une science exceptionnelle. «Ils ont combiné de belles mathématiques et de profondes connaissances de la physique pour obtenir des résultats inattendus. C'est à cela que sert le prix », a-t-il ajouté. "C'est vraiment beau et c'est profond."
