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Prix Leconte de l’Académie des Sciences

par Jean-Claude GARREAU, Le directeur du laboratoire, Thérèse HUET, Webmestre - publié le

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Le désordre est aussi fréquent dans la nature que le chaos, les deux phénomènes ayant un impact très réel sur les activités humaines. Ainsi, à l’échelle de la planète, le comportement chaotique de l’atmosphère rend la météorologie et le climat imprévisibles à long terme. Dans le monde microscopique, le désordre affecte très fortement les phénomènes de transport dans les matériaux. En particulier, le désordre est en partie responsable de la résistance électrique des matériaux, avec des conséquences pour la compréhension fondamentale de la physique de ces systèmes, mais aussi avec des conséquences pratiques et sociétales, vu l’importance de la conduction électrique dans la technologie actuelle.

Au niveau fondamental, le modèle permettant de comprendre l’influence du désordre sur la conductivité est le célèbre modèle d’Anderson, qui défie les physiciens depuis 1958. Il prédit un phénomène surprenant, nommé « localisation d’Anderson » : la possibilité de la suppression totale de la conductivité même par de très faibles niveaux de désordre, et à de très basses températures. Ce phénomène ne peut être expliqué que par la mécanique quantique. Plus généralement, le modèle prévoit l’existence d’une transition de phase, entre une situation où le système est un isolant et une situation où il est conducteur : c’est la transition métal-isolant d’Anderson.

Il est cependant très difficile d’étudier ces phénomènes quantiques dans des bonnes conditions dans des « vrais » matériaux, où des multiples influences externes viennent perturber le système et complexifier l’interprétation. Heureusement, il est possible de l’étudier dans des conditions quasi-idéales utilisant les des atomes refroidis par laser, technique qui permet d’obtenir des atomes à des températures des millions de fois plus froides que le vide intergalactique, on parle alors d’atomes ultra-froids, qui constituent, de fait, les gaz le plus froids de l’Univers. On peut alors mesures les propriétés quantiques de ces systèmes avec une précision jusqu’alors inaccessible.

Cerise sur le gâteau, il possible de réaliser de systèmes d’atomes ultra-froids très propres où le chaos « quantique » joue le rôle du désordre. Or ce chaos peut être contrôlé de façon extrêmement précise. Un exemple en est le « rotateur frappé atomique ». C’est en utilisant ce système que Jean-Claude Garreau et son équipe ont pu étudier la transition métal-isolant d’Anderson avec une précision et à un niveau de détail sans précédent. Ils ont pu ainsi donner une caractérisation très complète de cette transition, et en particulier mesurer, pour la première fois au niveau mondial, une grandeur qui caractérise de façon unique une transition de phase : son « exposant critique ». L’étude de cette physique grâce aux atomes ultra-froids ouvre la voie à une meilleure compréhension de la conductivité des vrais matériaux solides, avec un impact potentiel sur l’amélioration de leurs propriétés.

Voir en ligne : Les lauréats des prix thématiques attribués en 2015