Physique, Chimie - Moisson de Nobel aux américains Les quantas à l'honneur (photo)

Le prix Nobel de physique 1998 a été attribué mardi aux Américains Robert B. Laughlin et Daniel C. Tsui et à l’Allemand Horst L. Stoermer, en récompense des travaux qui ont permis de franchir une étape importante dans la compréhension de la physique des quanta portant sur la structure microscopique de la matière. Les chercheurs, tous les trois professeurs de physique dans des universités américaines, ont reçu le prix Nobel «pour avoir découvert que les électrons soumis à des champs magnétiques puissants forment une nouvelle sorte de «particules» avec des charges qui sont une fraction de la charge de l’électron», selon les attendus de l’Académie royale des sciences de Suède. C’est «pour leur découverte d’une nouvelle forme de liquide quantique présentant des excitations de charges fractionnées», que l’Académie a choisi les trois lauréats dont les travaux ont également permis d’avancer dans la recherche de nouveaux concepts théoriques significatifs pour plusieurs disciplines de la physique moderne. Horst Stoermer et Daniel Tsui ont fait leur découverte sur un nouveau type de liquide quantique en 1982 lors d’une expérience où ils ont utilisé des champs magnétiques extrêmement puissants (jusqu’à près de 30 tonnes) et des températures extrêmement basses, à quelques degrés seulement au-dessus du zéro absolu (-272 degrés Celsius). Dans l’année qui suivit la découverte, Robert Laughlin interpréta leurs résultats et montra par une analyse théorique «que des électrons soumis à un champ magnétique puissant peuvent condenser et constituer une sorte de liquide quantique, apparenté aux liquides quantiques qui apparaissent lors de la supraconductivité et dans de l’hélium liquide». L’intérêt particulier que les scientifiques portent à ces liquides s’explique par le fait que les processus qui ont lieu dans une goutte de liquide quantique peuvent apporter des indications approfondies sur la structure interne et la dynamique de la matière. Quasi-particules Récemment, plusieurs équipes de chercheurs ont réussi à observer directement les quasi-particules à charges fractionnées dans ce nouveau liquide quantique proposé par Laughlin. Au cours d’expériences, par exemple, de petites variations dans un circuit électrique ont été attribuées à des quasi-particules individuelles glissant à travers le circuit. Ces mesures, qui peuvent être comparées à l’identification du bruit d’un grêlon pendant une chute de grêle pour déterminer si sa dimension est une fraction de la taille normale, ont été rendues possibles grâce à l’évolution technique stupéfiante dans le domaine de la micro-électronique depuis l’époque où les trois savants ont réalisé leurs travaux de pionniers. «On peut dire que ces mesures apportent la vérification définitive de leur découverte», conclut l’Académie suédoise. Robert Laughlin, 48 ans, est, depuis 1989, professeur de physique, à l’université Stanford, en Californie. Daniel Tsui, 59 ans, Américain d’origine chinoise, travaille depuis 1982 à l’université de Princeton, qu’Einstein a rendu célèbre. Quant à Horst Stoermer, 49 ans, ancien directeur de recherche aux laboratoires Bell (1992-98), il est professeur depuis l’an dernier à la Columbia University de New York. En 1997, le prix avait récompensé le Français Claude-Tannoudji et les Américains Steven Chu et William Phillips pour le développement de méthodes de refroidissement et de capture des atomes par la lumière laser. C’est la 92e fois que le prix Nobel de physique a été décerné. Les États-Unis se maintiennent en tête du palmarès avec 67 citations, suivis de la Grande-Bretagne (20), de l’Allemagne (20), de la France (11), de la Russie/URSS (7) et la Suède (4). Le Nobel de chimie Le Nobel de chimie, lui, a été attribué à l’Américain Walter Kohn et au Britannique John A. Pople pour récompenser leurs travaux dans le domaine de la chimie quantique, qui ont été déterminants pour une meilleure connaissance de la structure interne de la matière. Les lauréats, âgés respectivement de 75 et 73 ans, mais toujours actifs comme professeurs et chercheurs aux États-Unis, se sont chacun distingués pour «leurs travaux novateurs dans le développement de méthodes qui permettent l’étude théorique des propriétés des molécules et des processus chimiques», selon les attendus de l’Académie royale des sciences de Suède. Walter Kohn, d’origine autrichienne (il est né à Vienne en 1923), a été distingué «pour son développement de la théorie de la fonctionnelle de densité» et John Pople «pour son développement de la méthodologie de calcul chimioquantique». Ce développement de méthodes de calcul dans le domaine de la chimie quantique a eu des conséquences pour la chimie dans son ensemble révolutionnaires. La chimie quantique est aujourd’hui utilisée dans tous les domaines de la chimie et de la physique moléculaire. Les travaux théoriques de Walter Kohn sont à la base de simplifications mathématiques afin de décrire des liaisons atomiques, une condition pour pouvoir effectuer les nombreux calculs entrepris aujourd’hui. Il a montré qu’il n’est pas nécessaire de considérer le mouvement de chacun des électrons, mais qu’il suffit de connaître le nombre d’électrons qui, en moyenne, se trouvent à chaque point d’un espace donné. Ceci a donné naissance à une méthode de calcul plus simple, appelée la «théorie de la fonctionnelle de la densité», méthodologie qui permet aujourd’hui d’expliquer la réaction des enzymes. John Pople a développé toute la méthodologie quantique, permettant l’étude théorique des molécules, de leurs propriétés et de leurs comportements dans les réactions chimiques. Pour procéder en pratique, on entre sur un ordinateur les données d’une molécule ou d’une réaction chimique et on obtient comme résultat la description des propriétés de la molécule et de la réaction présumée. Des milliers de chimistes dans les universités et l’industrie utilisent cette méthode de calcul sur un logiciel, appelé Gaussian, dont la première version, mise au point par John Pople, date de 1970. Ces calculs chimioquantiques ont permis, entre autres, de décrire et comprendre les phénomènes de destruction de la couche d’ozone qui nous protège des rayons ultraviolets solaires dans l’atmosphère, pouvant ainsi nous aider à prendre les mesures nécessaires pour réduire la pollution atmosphérique. Ils ont, autre exemple, apporté des informations sur la composition moléculaire de la matière interstellaire, souvent sous forme de grands nuages, dans l’univers constitué d’étoiles et de planètes.