Le Nobel de physique 2016 : au cœur des recherches sherbrookoises

Le Nobel de physique 2016 récompense trois chercheurs britanniques pour avoir conçu des outils devenus indispensables à l’étude de la matière condensée. Deux physiciens de l’Institut quantique décrivent l’influence des travaux primés dans leur domaine.

Directeur de l’Équipe de recherche en physique de l’informatique quantique (EPIQ), David Poulin a répondu cette semaine aux questions du magazine scientifique Les Années lumière, à la radio de Radio-Canada. «Je dirais qu’avec ces recherches, on a découvert un nouveau continent du monde quantique. L’utilisation de la topologie en physique est un champ tout récent que nous sommes à explorer.»

Sur la découverte

C’est au cours des années 1970 et 1980 que David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz ont conduit leurs travaux, aujourd’hui encensés «pour leurs découvertes théoriques dans le domaine des transitions de phases topologiques et de la matière topologique».

Qu’est-ce qu’une transition de phase ?
Une transition de phase correspond à un changement brutal des propriétés de la matière lorsque qu’une variable extérieure, telle que la température, est modifiée. Les trois phases les plus connues sont les phases solide, liquide et gazeuse. Une transition de phase correspond, par exemple, à la transformation de l’eau liquide en glace, ou d’un liquide en vapeur. Ces transformations sont caractérisées par l’apparition d’un ordre : alors que les molécules d’un liquide sont disposées de façon aléatoire, celles d’un solide sont organisées de façon régulière.

«La topologie est une branche des mathématiques qui a connu ses premières applications au début des années 1700, explique David Poulin, théoricien. Les trois nobélisés ont démontré l’utilité de cette approche pour comprendre certains phénomènes en physique.»

Qu’est-ce que la topologie?
La science topologique s’intéresse aux propriétés globales des objets qui demeurent inchangées, même sous l’effet de déformations continues. «Par exemple, lorsqu’on observe un bretzel ou un pain de très près, on constate qu’ils ont la même apparence. C’est lorsqu’on s’en éloigne suffisamment qu’on est en mesure de constater que le bretzel est troué et que le pain ne l’est pas : on peut dire alors que ces deux pâtisseries n’ont pas la même topologie,» illustre le professeur Poulin.

À l’aide des outils topologiques, Thouless, Haldane et Kosterlitz sont parvenus à expliquer de nombreux états exotiques -ou inhabituels- qui s’expriment dans la matière à très basse température, tels que les fluides de Hall. Tout comme dans l’exemple des pâtisseries, l’ordre qui caractérise la matière topologique ne peut être discernée lorsqu’on observe la substance de près : elle est cachée dans des corrélations globales entre les constituants du système. Des observations qui ne pouvaient être justifiées à partir des connaissances de l’époque. «Leurs travaux ont remis en question notre définition des transitions de phase», fait valoir David Poulin.

De la science quantique aux technologies quantiques

“En nous donnant une compréhension plus profonde du rôle de la topologie en physique, ces chercheurs ont ouvert de nouvelles possibilités pour le développement de matériaux quantiques et de l’informatique quantique.”  souligne Alexandre Blais, physicien et directeur de l’Institut quantique. Les recherches du professeur Blais concernent les circuits quantiques supraconducteurs, des travaux fondateurs pour le grand chantier qui consiste à mettre au monde le tout premier ordinateur quantique.

«Les découvertes de ces trois chercheurs ont eu lieu bien avant que les termes matériaux quantiques ou informatique quantique entrent dans le vocabulaire des physiciens, deux domaines qui sont aujourd’hui au coeur de la mission de l’Institut quantique. Ces champs d’étude ont un fort potentiel d’application technologique. Il s’agit, encore une fois, de la démonstration de l’importance de la recherche fondamentale.»

En somme, les chercheurs britanniques récompensés par le Nobel ont initié un véritable chantier de la physique théorique qui, en physique expérimentale, ouvre des avenues de recherche encore inimaginables il y a quelques décennies. «Nous sommes en train de découvrir des matériaux aux propriétés topologiques extraordinairement précises, révélant des ordres cachés qui peuvent être exploités en informatique quantique. Des matériaux très robustes car insensibles aux petites modifications du système.»

Écoutez toute l’entrevue du physicien David Poulin à l’émission Les années lumière du dimanche 9 octobre 2016.