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Dossier - Cinquante ans de recherches et de découvertes sciences physiques
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A l'occasion des Cinquante ans d'histoire du Palais de la Découverte, Mr. Pierre Gilles de Gennes nous offre de saisissantes réfléxions !

  
DossiersCinquante ans de recherches et de découvertes sciences physiques
 

Voilà maintenant une autre famille d'objets naturels (que j'aime beaucoup) : les superfluides. Les fluides qui nous entourent sont des fluides visqueux, dissipatifs, mais certains fluides sont anormaux et peuvent être totalement sans viscosité, c'est le cas de l'hélium 4 dont la superfluidité a été découverte par Kapitza, au début du cinquantenaire dont nous parlons. Sous sa forme la plus épurée, l'expérience consiste à lancer de l'hélium liquide dans un anneau à une température suffisamment basse et à observer que cet hélium continue à tourner indéfiniment.

Laboratoire de chimie. © MasterTux, CC0 Domaine public

Cette superfluidité dans un anneau, avait été observée depuis le début du siècle dans certains métaux dits supraconducteurs. Dans ce dernier cas, il ne s'agit plus d'un liquide usuel mais d'un fluide d'électrons qui coule à l'intérieur d'un métal. Au début des expériences sur la circulation de courant électrique dans le mercure, on voyait un courant tenir un an ; de nos jours, grâce au raffinement des techniques de résonance nucléaire, on sait mesurer le champ magnétique produit par le courant avec une précision extraordinaire ; on sait voir la dérive éventuelle du champ et l'on sait dire que dans un anneau typique, le courant paraît stable pour des millions d'années. Depuis, on a trouvé bien d'autres superfluides : d'une part les noyaux atomiques nous montrent un phénomène de superfluidité dans la façon dont ils tournent. On distingue un oeuf dur d'un oeuf pas dur par la façon dont il tourne ; eh bien, d'une façon un peu analogue on distingue un noyau superfluide d'un noyau normal par la façon dont il tourne. Et la matière des étoiles de neutrons, dont nous parlions tout à l'heure, est encore un exemple de superfluide. Bien entendu, cette présence de la superfluidité dans des systèmes aussi variés, a provoque une réflexion énorme, et cette réflexion d'ailleurs est une très bonne leçon d'humilité pour nous, théoriciens. Parce que l'on voit de très grands noms qui ont été pas tout à fait capables de Ia mener jusqu'au bout. Par exemple, un des physiciens pour lequel j'ai personnellement le plus d'admiration, Lev Landau, a décrit les lois de la superfluidité dans l'hélium avec un luxe de détails extraordinaire, mais, en même temps, si on lit soigneusement ce qu'il a écrit on voit qu'il n'a pas tout à fait compris l'origine du phénomène.

L'homme qui a vraiment compris la superfluidité est Fritz Londoii qui a pensé à lier cette propriété à un effet de statistique. Celà vaut peut-être la peine de passer une minute là-dessus. Habituellement, pourquoi est-ce que nous avons de la dissipation dans un fluide ? C'est parce que nous avons beaucoup de degrés de liberté. parce que nous avons des tas d'atomes qui circulent, qui se cognent, qui cognent des parois, et qui se mettent en désordre. Dissipation veut dire création de chaleur, création de chaleur et d'entropie veut dire apparition de désordre. Ce qu'il y a de spécial dans les systèmes superfluides, c'est le fait qu'ils comportent des particules individuelles que nous appelons des bosons, et que ces particules individuelles acceptent de pouvoir être, en nombre arbitrairement grand dans un même état quantique. En particulier, à basse température, les bosons se mettent tous dans l'état le plus bas que le système peut leur offrir. Le résultat, c'est que nous avons un état quantique qui contient 1023: ici les manifestations de la physique quantique, au lieu d'être liées à des observations très fines, à l'échelle de l'atome, deviennent des manifestations visibles macroscopiquement, à l'échelle du centimètre. Et nous avons peu de degrés de liberté : toutes les particules dans un même état ! Ceci fait que nous n'avons plus moyen de dissiper. Ça, c'est l'idée extraordinaire de Fritz London. Elle se heurtait toutefois à certaines difficultés ; en particulier, pour le cas des métaux supraconducteurs, les particules de base sont des électrons qui ne sont pas du tout des bosons, pourquoi diable irait-on invoquer des bosons ! La réponse est venue du physicien américain Léon Cooper, en 1957. Il a compris qu'une interaction arbitrairement faible, de type attractif entre électrons, les groupait en paires et de fait créait des bosons avec la statistique désirée.

Donc, la nature des objets superfluides a été comprise en deux étapes, par London et Cooper. Et puis, naturellement a suivi toute la cascade de calculs que l'on peut imaginer. Le premier métal supraconducteur a été trouvé par le scientifique hollandais Kanimerlingh Onnes (1911), et la compréhension à peu près correcte de la chose, n'est venue qu'en 1957. Ensuite tous, (et moi parmi les autres) nous avons été béats et tranquilles, jusqu'au moment où, il y a deux ans, des matériaux supraconducteurs tout à fait exotiques, qui ne sont pas des métaux, mais des oxydes, sont apparus : avec eux les règles que les théoriciens avaient construites pour se faire une description quantitative de la superfluidité paraissent violées. Mais nous savons tout de même par deux expériences que les nouveaux matériaux ont aussi leurs électrons regroupés en paires.

Je continue ma liste d'objets. Il y en a un que j'aime beaucoup présenté sur la figure 1. Ce que nous avons là, c'est un cristal liquide «nématique» formé de molécules allongées. Ces molécules décident de rester parallèles entre elles à l'état liquide. En principe, si nous avions un spécimen parfait, nous verrions ici une plage absolument uniforme. Mais à cause de différentes contraintes (par exemple, des effets des surfaces extérieures), il apparaît un réseau de lignes singulières, et des points à la rencontre de ces lignes, que nous appelons les noyaux de Georges Friedel. Ces lignes ou ces points singuliers sont devenus importants pour l'ensemble de la science de notre époque. Je vous explique ce qu'est localement une ligne singulière dans un nématique : les molécules s'enroulent autour d'une ligne qui est perpendiculaire au plan du tableau. Ce qui est frappant c'est que, simplement par l'observation d'un tel cliché, on sait qu'on a affaire à un nématique, c'est-à-dire que le défaut est révélateur de la structure sous jacente (une chose que l'on trouve aussi chez les hommes !). L'importance de ces singularités s'est bien clarifiée pendant ces derniers 50 ans. D'abord, avec Georges Friedel (dans les années 30) puis avec Charles Frank (dans les années 60) et enfin avec Gérard Toulouse, qui a construit la description topologique générale de ces défauts (dans les années 75).

La notion de ligne singulière touche aussi à des tas d'autres domaines. Dans la situation très curieuse de la physique des hautes énergies, on sait que les particules dites élémentaires de ma jeunesse (les protons, les neutrons) sont en fait formées d'objets plus petits, plus ponctuels, les quarks. C'est quarks sont visibles dans certaines expériences de diffraction, mais ne sont pas séparables, on arrive jamais à en arracher un seul. Quand un quark se sépare de son frère jumeau, cette séparation crée dans l'espace une ligne singulière et l'énergie qu'il faut pour les séparer, en gros, croît linéairement avec la longueur de ligne qu'on produit. Ceci fait qu'on ne les sépare jamais sur des très grandes distances. Je trouve assez extraordinaire, la relation profonde qu'il y a entre des liquides moléculaires comme les nématiques, à un bout, et les constituants de la matière à l'échelle subnucléaire. Et puis, parce que j'aime toujours les super-fluides et les supraconducteurs, je mentionne un autre type de ligne singulière que l'on rencontre dans les supraconducteurs dits de type Il (les supraconducteurs à champ critique élevé, très importants pour la technologie des champs forts et peut-être dans l'avenir, pour la technologie des machines tournantes, des transformateurs). Ces matériaux ont été compris en premier par Shubnikov, en URSS ; malheureusement il n'a pas réussi à faire passer son message, pour deux raisons : l'une est qu'il est mort assez rapidement dans les geôles staliniennes ; l'autre est que l'occident avait un modèle complètement faux, mais accepté, pour les propriétés des alliages auxquels s'intéressait Shubnikov, un modèle qui les voyait comme des systèmes très impurs, piégeant le flux et ainsi de suite. En fait, de nos jours et en particulier grâce aux travaux de Goodmann en France et en URSS d'Abrikosov, on sait que dans la thèse de Shubnikov, le champ magnétique pénètre, autour de lignes singulières où il détruit la supraconductivité (les lignes de vortex). Mais en dehors de ces lignes singulières, le matériau garde sa robustesse superfluide. Typiquement, les distances entre lignes sont de quelques centaines de distances atomiques, ce qui d'ailleurs a posé un problème assez farouche pour leur détection, parce que ces échelles sont parmi les plus difficiles à voir. La première expérience a été faite par Trâuble qui avait eu l'idée très ingénieuse d'envoyer des atomes magnétiques sur la surface supérieure d'un échantillon sous champ ; ces atomes sont attirés par les régions de champ fort et ils forment sur la surface, une carte (que l'on peut après regarder en microscopie électronique) Cette carte qui permet de mettre en évidence le réseau de vortex comme on l'appelle, qui est présent là-dedans . La deuxième expérience est due à Cribier, Jacrot, Farnoux. Elle consiste à diffracter des neutrons sur les vortex, et donc de mesurer leurs espacements. Il y en a eu bien d'autres depuis, mais là, je parle un peu en ancien combattant.

Vous voyez, je continue mon chemin erratique parmi les objets que nous offre la nature ; une autre famille importante, c'est ce que nous appelons maintenant les systèmes self-similaires. . (Les colloïdes d'or sont quelque chose que nous devons à Faraday, au siècle dernier. Faraday a su les préparer, a su les stabiliser et ils sont devenus, en un certain sens, un objet classique.) Mais plus récemment, il y a eu une époque passionnante, où on a essayé de voir ce qui se passait quand on déstabilise un tel colloïde. Dans ceux que fabriquait Faraday. qui sont stabilisés par des charges, les grains au lieu de s'attirer par leurs forces de Van der Waals, se repoussent par des charges électrostatiques. Mais si on ajoute du sel, on écrante les interactions électrostatiques entre grains et les grains floculent : la couleur change. Quels sont les objets que l'on forme, dans cette situation d'attraction douce entre grains ? On forme des objets extraordinairement ramifiés, très fragiles. Ici le grain, l'unité élémentaire a 100 angstrôms. La taille totale de l'amas formé par floculation a quelques dizaines de microns. Ces objets, on peut les regarder en grand détail. La propriété la plus importante est la « self-similarité ». C'est le fait que, si l'on isole une partie et qu'on agrandit la photo, on ne peut pas distinguer les propriétés statistiques de cette nouvelle photo de celle de la grande photo dont on était parti. Ces systèmes sont statistiquement les mêmes par un changement d'échelle. Et cette idée-là est une idée qui s'est avérée extrêmement importante pour une large compréhension de la nature.

J'ai cité cet exemple des colloïdes d'or, j'en cite un deuxième sur lequel nous sommes beaucoup moins avancés, mais qui est un défi pour le prochain cinquantenaire, c'est la turbulence développée. On sait très bien que quand on regarde couler la Seine sous le pont Mirabeau, pour suivre un poète fameux, il y a des tourbillons qui se forment et que ces tourbillons, souvent, engendrent d'autres tourbillons. Certaines techniques peuvent décrirece qui se passe derrière un obstacle dans un écoulement hydrodynamique : des tourbillons se forment, au début ce sont des tourbillons alternés réguliers, connus sous le nom de «allées de Benard-von Karman» mais si on va un peu vite, ces tourbillons eux-mêmes sont instables, se décomposent, s'apparient. Pour les écoulements à trois dimensions, a très grand nombre de Reynolds, il y a évolution vers un état ultérieur qui n'est pas représenté sur cette photo où, finalement on arrive à des tourbillons tellement petits qu'on engendre un objet self-similaire.

Un autre exemple de système self-similaire est celui que réalisent des chaînes de polymères flexibles quand on les adsorbe sur des surfaces : opération qui est très importante pour protéger les grains colloïdaux, une grande partie des peintures, une partie aussi des produits alimentaires que nous utilisons à notre époque, utilisent cette protection par des chaînes polymériques. Ces chaînes forment une sorte de grille self-similaire. Si vous êtes loin de la paroi, la grille a une grande maille ; si vous êtes deux fois moins loin, la maille est deux fois plus petite, et ainsi de suite. Ce dessin est véritablement le pilote d'un nombre de propriétés extraordinairement élevé. Ces exemples sont très modestes, mais ce sont des exemples importants pour l'ingénierie chimique.