Le 4 octobre dernier, le comité Nobel a créé la surprise lors de l’annonce des lauréats du prix Nobel de physique 2016. Le prix revient à trois britanniques "pour les découvertes théoriques des transitions de phase topologique et des phases topologiques de la matière". Saviez-vous qu’une partie de ces recherches sont nées dans le bassin Grenoblois ?

David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz ont démontré l’importance des concepts topologiques pour décrire les propriétés magnétiques et électroniques de la matière. La ville de Grenoble est loin d’être étrangère à l’émergence de ces idées novatrices.

Grenoble il y a presque 40 ans

Dans les années quatre-vingts, Grenoble fait figure de ville phare dans la physique de la matière condensée, domaine qui s’intéresse aux propriétés macroscopiques de la matière. La ville profite alors d’une renommée internationale, notamment grâce à Louis Néel, prix Nobel de physique de 1970, qui contribua au développement et à la création de nombreux laboratoires et instituts de recherche sur la Presqu'île.

1980 : Découverte de l’effet Hall quantique entier

C’est dans ce contexte que l’effet Hall quantique entier fut découvert par Klaus von Klitzing en 1980, au laboratoire Grenoblois des champs magnétiques intenses. Cette découverte donna lieu à un prix Nobel cinq ans plus tard, et eut des retombées importantes. Elle permit notamment une détermination de la constante fondamentale de structure fine avec une précision inégalée.

La topologie pour expliquer l’effet Hall quantique

Cependant, la physique de l’époque ne parvenait pas à expliquer cette version quantique de l’effet Hall. C’est en 1982 que David Thouless, l’un des trois lauréats du prix Nobel de physique de cette année, proposa une explication théorique en s’appuyant sur des outils provenant de la topologie. Ce faisant, il montrait l’importance des concepts topologiques pour comprendre et expliquer ces phénomènes physiques.

Mais alors qu'est ce que la topologie?

La topologie est une branche des mathématiques modernes qui s’intéresse aux déformations et propriétés globales de formes géométriques. Pour un topologiste, une boule en pâte à modeler et un cube sont des formes équivalentes car il est possible de passer de l’une à l’autre par déformation continue de la pâte, c’est à dire sans la percer. Ces idées et outils provenant de la topologie ont été utilisés et exportés par les trois lauréats pour l'étude de la matière condensée.

La physique théorique grenobloise en plein essor

La connexion grenobloise ne s’arrête pas à la découverte expérimentale de l’effet Hall quantique entier. En effet, Duncan Haldane intégra en 1977 le groupe de physique théorique de l’Institut Laue Langevin et y resta quatre années. Durant cette période, il démontre l’existence de phases topologiques dans certains systèmes magnétiques unidimensionnels. Ces travaux s'inscrivent dans une longue tradition grenobloise consacrée à l'étude expérimentale du magnétisme quantique. De plus, ces concepts ont fourni une nouvelle interprétation de l’effet hall quantique fractionnaire, découvert en 1982 aux États-Unis. Les recherches d'Haldane auraient-elles été inspirées par la découverte expérimentale en 1980 de l'effet Hall quantique entier, à quelques centaines de mètres de son laboratoire ?

Quoi qu’il en soit, David Thouless, Duncan Haldane, mais aussi Michael Kosterlitz ont montré l’importance des concepts de la topologie pour l’étude de la matière condensée. Les trois physiciens honorés par le prix Nobel cette année ont inspiré de nombreux physiciens et offrent de belles perspectives pour la physique théorique.

Sources :

- Timothy Ziman, Directeur de recherche CNRS, groupe théorique ILL (Institut Laue Langevin) : ziman@ill.fr

- Document officiel du comité Nobel sur les travaux des trois lauréats : Advanced Information: Topological phase transitions and topological phases of matter.

- Site officiel de l'ILL (en anglais) : https://www.ill.eu/fr/presse-et-infos/presse/press...

Image de couverture :

Les trois lauréats du prix Nobel de physique de 2016. De gauche à droite : David Thouless, de l’université de Washington, à Seattle, Duncan Haldane de l’université de Princeton et Michael Kosterlitz de l’université Brown à Providence. © N. Elmehed, Nobel Media 2016.