Un beigne pour rendre comestible la topologie, honorée par le prix Nobel de physique

Participant à une conférence de presse téléphonique depuis Stockholm, Duncan Haldane, qui enseigne la physique à l’Université Princeton, au New Jersey, s’est dit « très surpris et très heureux » d’avoir été choisi, avant d’ajouter que les trois lauréats ont fait leurs découvertes par accident.
Photo: Mel Evans Associated Press Participant à une conférence de presse téléphonique depuis Stockholm, Duncan Haldane, qui enseigne la physique à l’Université Princeton, au New Jersey, s’est dit « très surpris et très heureux » d’avoir été choisi, avant d’ajouter que les trois lauréats ont fait leurs découvertes par accident.

Un spécialiste de topologie ne fait pas la différence entre un beigne et une tasse ! C’est par cette boutade que certains scientifiques définissent la branche des mathématiques qui a valu mardi le Nobel à trois physiciens.

La topologie est l’étude de la forme d’un objet et de la façon dont elle peut changer par étirement, compression ou torsion, sans perdre ses propriétés de base.

« On peut s’imaginer jouer avec de la pâte à modeler, mais sans avoir le droit de couper la pâte », explique David Carpentier, chercheur CNRS au Laboratoire de physique de l’École normale supérieure de Lyon, en France.

Avec cette approche, la tasse peut être remodelée en beigne typiquement américain avec un trou au milieu : les deux sont considérés comme topologiquement similaires puisque chacun a un trou (l’anse de la tasse et le centre manquant du beigne).

« Ce que nous voulons dire, c’est que tout objet que l’on peut obtenir par déformation de cette pâte est un seul objet », précise David Carpentier.

Pour décrire les travaux complexes des lauréats, l’un des membres du comité Nobel pour la physique a d’ailleurs brandi un beigne en pleine cérémonie.

Trois Britanniques travaillant aux États-Unis, David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz, ont été récompensés pour leurs découvertes sur les phases de la matière, obtenues grâce à la topologie.

« C’est un domaine difficile d’accès et contre-intuitif, qui a une image un peu ésotérique », reconnaît David Carpentier.

Les trois lauréats ont été « les premiers à entrevoir que la topologie pourrait avoir une certaine pertinence en physique », note Manuel Asorey de l’Université de Saragosse, en Espagne. Grâce à cette méthode, ils ont pu comprendre des choses « invisibles ».

« Cela a été vraiment le coup de génie de ces physiciens. Il fallait vraiment utiliser ces outils pour décrire le changement de la matière dans les films supraconducteurs », explique David Carpentier.

Les matériaux supraconducteurs ont une résistance nulle en dessous d’une certaine température. Ils transportent alors les courants électriques sans aucune perte. Mais au-dessus de cette température donnée, ils passent à un état beaucoup moins conducteur.

Les travaux récompensés mardi ont permis de découvrir « comment certains matériaux passent d’un état supraconducteur à un état peu conducteur », explique Laurent Levy, professeur de physique à l’Université Grenoble Alpes.

« Ils ont découvert les éléments fondamentaux qui permettent d’expliquer ce phénomène, précise le professeur. Tout cela a fait avancer les connaissances sur les phases de la matière », dit-il. Et laisse espérer des développements pratiques notamment en informatique.

Pour Nathan Goldman, professeur de physique à l’Université libre de Bruxelles, « cela ne va pas révolutionner nos ordinateurs dans les cinq à dix ans, mais il y aura des applications concrètes ».

« Ce qui fascine le plus, c’est potentiellement de pouvoir utiliser ces concepts sur les futurs ordinateurs quantiques », déclare David Carpentier.

L’un des problèmes des ordinateurs quantiques, qui pourraient révolutionner l’informatique, c’est qu’ils sont extrêmement sensibles à leur environnement.

« Les briques de base d’un ordinateur quantique, appelées bits quantiques, sont de tout petits objets très sensibles, dit-il. Il suffit qu’un peu de lumière passe à côté, que le milieu dans lequel ils sont implantés vibre un peu, qu’il y ait de petites variations de température, pour qu’ils changent d’état. »

« Le scénario qui se dessine pour contrer cette énorme sensibilité non contrôlée, c’est de donner à ces briques des natures topologiques » différentes. « Nous aurons alors acquis une énorme robustesse de ces états quantiques de façon assez magique », poursuit David Carpentier.

« Mais nous n’en sommes pas encore à ce stade », prévient-il.

À plus court terme, grâce aux isolants topologiques, une nouvelle électronique moins énergivore pourrait émerger « d’ici dix ans », estime-t-il.

« Un des enjeux majeurs, c’est d’essayer de développer des composés qui laisseraient passer le courant en maîtrisant les pertes, qui auraient beaucoup moins besoin de puissance pour fonctionner », dit-il.