Accueil > Français > Divers > Test Vincent

Le Prix Nobel de Physique 2016 et le LPS


Le prix Nobel 2016 de Physique a été décerné à trois théoriciens, Thouless, Kosterlitz et Haldane, pour leurs contributions fondatrices à la physique de la matière condensée. Lorsqu’ils sont parus, leurs travaux ont contribué à donner un nouvel éclairage sur la matière, en expliquant un certain nombre de phénomènes incompris à l’époque. Leurs travaux sont toujours d’actualité, étant à la base d’un des domaines de recherches les plus actifs de la physique contemporaine — la matière dite topologique. L’attribution de ce prix Nobel revêt une importance particulière dans notre laboratoire, où ce thème de recherche est particulièrement bien représenté, étant donné les nombreux liens professionnels et personnels entre les membres du LPS et les lauréats du prix 2016.

La matière en dimension 2 : un dilemme

Les contributions de Thouless et Kosterlitz datent des années 70, lorsque la physique de la matière condensée avait déjà atteint une phase de maturité. Depuis les travaux de L. Landau, en effet, la plupart des propriétés électroniques dans les solides semblaient être bien comprises. Ainsi, la phase supraconductrice s’expliquait par la formation d’un état collectif de paires d’électrons dans les métaux à basse température. Une phase ferromagnétique était vue comme le résultat d’un alignement de spins – des petits moments magnétiques portés par les électrons – de manière spontanée, en dessous d’une certaine température. Ces deux exemples parmi tant d’autres de transitions de phase observées dans la nature, montrent que la phase thermodynamique de plus haute température, désordonnée, peut se transformer en une phase plus ordonnée lorsque le système est refroidi. Malgré le succès de cette théorie des transitions de phase des questions subsistaient néanmoins. L’une des prédictions de la théorie, à l’époque, était que on ne devait pas s’attendre à trouver des phases ordonnées dans des systèmes de dimension réduite comme des films ou des fils, aussi basse que soit la température. Or, on peut observer, par exemple, une transition supraconductrice dans des couches minces — systèmes que l’on peut considérer comme étant essentiellement bidimensionnels.

Les travaux de Kosterlitz et Thouless, et indépendamment d’un chercheur soviétique, Berezinskii, ont permis de comprendre pourquoi et comment cette transition a lieu. Le modèle qu’ils ont considéré est un modèle magnétique où les spins élémentaires n’ont que deux composantes (c’est-à-dire, les spins sont contraints de rester dans un plan, d’où l’appellation « modèle XY »). En dimension deux, comme nous l’avons indiqué ci-dessus, une phase magnétique où tous les spins sont alignés n’est possible, qu’à température nulle. Pourtant une transition a bien lieu, à une température finie appelée température critique de Kosterlitz-Thouless. Les ingrédients essentiels de la théorie de Berezinskii, Kosterlitz et Thouless sont des objets que l’on appelle des vortex et des antivortex. Ce sont des défauts en forme de tourbillons qui viennent perturber l’état d’alignement parfait de tous les spins et jouent un rôle déterminant. Lorsqu’un vortex et un antivortex sont proches l’un de l’autre, l’ordre magnétique n’est quasiment pas perturbé, tandis que des vortex et antivortex indépendants détruisent totalement l’ordre. Kosterlitz et Thouless ont montré qu’en augmentant la température, on passe d’une phase quasi-ordonnée où tous les vortex sont liés, à une phase désordonnée, où les paires se délient et l’ordre magnétique disparaît (lien vers les simulations). La situation peut être décrite d’une façon imagée en disant que le désordre s’ordonne pour des températures inférieures à TKT. Un mécanisme complètement analogue opère dans des couches minces de hélium superfluide et c’est notamment grâce aux études expérimentales de cette transition que les prédictions de BKT ont pu être validés. Depuis, la théorie a été confirmée par des expériences sur des systèmes aussi divers que des couches minces magnétiques, des cristaux liquides, des réseaux de jonctions supraconductrices.


Fig.1 Deux textures de spin ou skyrmions dans un système magnétique a) Bloch-type et b) Néel-type skyrmion (figure reproduite de l’article de Kezsmarki et al, Nat.mat.2015 avec permission)

Dans le sillage des vortex : de nouveaux objets topologiques

Au travers de cette nouvelle famille de transitions de phase dans des systèmes de basse dimension, Berezinskii, Kosterlitz et Thouless ont mis en lumière l’importance de l’objet topologique qu’est le vortex, ou la texture de spin. Depuis ces travaux, une pléthore de nouveaux objets topologiques ont fait leur entrée en physique de la matière condensée. Dans les systèmes magnétiques, on peut trouver, par exemple, des skyrmions — une généralisation des vortex à trois dimensions de l’espace, où les spins peuvent pointer dans les trois directions de l’espace (fig.1). On peut parler aussi des structures topologiques dans des espaces différents tels les vortex dans l’espace des impulsions. Par exemple, Haldane a montré que ces objets topologiques sont à l’origine d’excitations de basse énergie aux bords d’une chaîne de spins quantiques. Il s’agit, en effet, d’une propriété générale de ce qu’on appelle aujourd’hui la matière topologique : il y a inévitablement des excitations de basse énergie au bord d’un système topologique. Un exemple notable est l’isolant topologique — un matériau dont l’intérieur est un isolant parfait mais dont les bords (ou surfaces) sont parfaitement conducteurs.

La matière topologique au LPS

Les travaux pionniers des trois lauréats du prix Nobel de physique 2016 sont à la base d’un nombre considérable d’études menées au LPS. La matière topologique est un thème très présent au Laboratoire de Physique des Solides, tant sur le plan théorique qu’expérimental. Citons quelques exemples : les premières expériences mettant en évidence les défauts topologiques dans les cristaux liquides ou encore celles soulignant le rôle des vortex dans les couches minces d’hélium. L’étude des systèmes supraconducteurs (dans les oxydes de métaux de transition) où la physique des vortex joue un rôle important reste un sujet de recherche actif. De nouveaux systèmes magnétiques « frustrés » qui sont le siège de phases dites « liquide de spin » présentant des excitations topologiques, sont étudiés dans le groupe RMN. Les fermions de Dirac et de Weyl, les isolants topologiques et les fermions de Majorana sont étudiés au sein du groupe théoriciens. Des expériences sur ces matériaux sont menées dans un nombre conséquent de groupes dans notre laboratoire (Physique mésoscopique, Lumière ultrabrève, Cohérence et Electrons, RMN, MuSR et photoémission, nanostructures à la nanoseconde) ….