KNOXVILLE, TN, 21 juillet 2025 /24-7PressRelease/ -- Le professeur J. Michael Kosterlitz est le lauréat du prix Nobel de physique 2016. Tout au long de sa carrière, il a renversé la compréhension conventionnelle selon laquelle les systèmes bidimensionnels ne pouvaient pas subir de transitions de phase en raison des fluctuations thermiques, avec David Thouless. Ils ont montré que les paires vortex-antivortex jouent un rôle clé dans les transitions de phase, conduisant à une transition de phase topologique maintenant connue sous le nom de transition Kosterlitz-Thouless (KT). Il est un véritable pionnier dans la rupture des frontières des disciplines, son idée d'implémenter la topologie—un sous-domaine des mathématiques—dans l'exploration de la physique a été transformative. Il est un aventurier qui se soucie surtout du plaisir d'explorer la science. Les scientifiques sont payés pour s'amuser, a-t-il dit.

Q1: Pouvez-vous partager l'histoire derrière votre découverte de la transition Kosterlitz-Thouless (KT) ? Y a-t-il des recherches précédentes qui se rapportent ou vous inspirent à découvrir la transition KT ?

A1: Quand j'ai accepté le poste de postdoc à Birmingham, j'avais l'intention de passer de la physique des hautes énergies à un domaine différent, peut-être la physique de la matière condensée. J'ai parlé avec plusieurs membres du corps professoral pour obtenir leurs conseils. Un jour, David Thouless m'a montré quelques résultats expérimentaux sur des films minces d'hélium, qui indiquaient clairement une transition de phase qui ne correspondait pas aux théories existantes. Bien que je ne sois pas l'étudiant ou le postdoc de David, et qu'il ne s'attendait probablement pas à ce que je trouve quoi que ce soit étant donné ses idées très vagues, j'ai décidé de faire des efforts. Après plusieurs mois, je suis finalement revenu et lui ai montré ce que j'avais obtenu. Nous avons décidé d'écrire et de publier cela, et le reste est l'histoire que vous connaissez tous.

Q2: La transition KT a remis en question la sagesse conventionnelle de l'époque, avez-vous rencontré des scepticismes ?

A2: Thouless et moi étions exactement les bonnes personnes pour examiner ce problème. La situation était clairement gênante parce qu'il y avait un conflit entre la théorie et l'expérience, et la théorie semblait extrêmement raisonnable. À l'époque, j'étais complètement ignorant de la physique de la matière condensée. Mais heureusement dans ce cas, l'ignorance s'est avérée être un avantage car je n'étais pas encombré par les notions conventionnelles, donc j'étais libre d'explorer de nouvelles idées sans rien pour influencer ma pensée. Nous avons réussi à résoudre ce problème parce que nous avons réalisé qu'au lieu de penser à l'excitation de basse énergie, la seule possibilité était de penser à l'excitation de haute énergie, essentielle pour les excitations de vortex, les seules excitations que nous pouvons détruire la superfluidité.

Q3: Quelles ont été les inspirations clés qui vous ont conduit à explorer la topologie dans la physique de la matière condensée ?

A3: Je dois admettre, je ne savais même pas ce qu'était la topologie à l'époque. J'avais seulement une vague idée que c'était une branche des mathématiques concernée par la caractérisation de diverses formes, mais je n'avais aucune idée de son importance jusqu'à ce que j'aie fait beaucoup de calculs. J'ai ensuite parlé à Thouless et il a dit que ces vortex étaient des excitations topologiques, et c'est ainsi que la 'physique topologique' est entrée en scène. Mais cela ne change rien, parce que ce que j'ai vraiment fait et compris était de la physique. Donc pour moi c'était simple et intuitif. Thouless a trouvé que ces comportements de vortex ressemblaient à de la topologie pour lui. Et nous pouvons apporter ces noms mathématiques fantaisistes à la physique, mais en dessous c'est seulement de la physique.

Q4: Suite à votre percée théorique, beaucoup de vérifications expérimentales ont été menées dans les années suivantes, ces délais de vérification correspondaient-ils à vos attentes ?

A4: Après avoir terminé et publié le travail, nous étions impatients de voir les vérifications expérimentales. À l'époque, quelques groupes expérimentaux étudiaient les films d'hélium, en particulier, le groupe de John Reppy à Cornell travaillait sur des films minces superfluides depuis un bon moment. Donc je suis allé à Cornell pour un postdoc d'un an, et un jour je donnais un séminaire sur ce que Thouless et moi avions accompli, mais il semblait que presque personne ne suivait vraiment notre raisonnement. Je me souviens que même Kenneth G. Wilson—qui a ensuite remporté le prix Nobel de physique en 1982—était aussi là et m'a posé une question sur les variables non pertinentes. Je n'avais aucune idée de ce dont il parlait, donc j'ai en quelque sorte hésité et bredouillé, donnant essentiellement une non-réponse à sa question. Mais il y avait une seule personne dans cette salle qui a vraiment compris : un brillant jeune étudiant diplômé nommé David R. Nelson (maintenant professeur à Harvard). À partir de ce moment, nous nous sommes très bien entendus.

Donc à l'époque, ce que nous avons fait impliquait une nouvelle physique et toutes sortes d'idées hérétiques, mais s'est avéré être juste. Il fallait vraiment des esprits jeunes et ouverts pour saisir et le développer davantage. Nelson et moi avons ensuite collaboré pour calculer la densité superfluid normalisée au point de transition. Nous avons réussi à proposer cette prédiction de saut universel, où le rapport de la densité superfluid est une constante universelle en termes de diverses propriétés fondamentales, par exemple, la masse des atomes d'hélium, la constante de Planck. Et c'est en principe une quantité mesurable, parce que la densité superfluid est essentiellement la constante de rigidité, à mesurer par les propriétés de flux.

Ensuite, il y avait encore un léger problème à conquérir. La superfluidité dit qu'il n'y a pas de dissipation dans le flux, ce qui implique que la vitesse de flux est finie. Cependant, la prédiction théorique était à vitesse de flux nulle et fréquence nulle. Une extrapolation des prédictions dynamiques était nécessaire pour s'accorder parfaitement avec toutes les mesures expérimentales, ce qui a été fait plus tard par Nelson, Vinay Ambegaokar et B.I. Halperin. Il a fallu quelques années à la communauté physique pour accepter que la théorie bizarre (transition KT) était correcte.

Q5: La transition KT a conduit à des applications dans la supraconductivité, la superfluidité et les matériaux 2D, quelle est votre perspective à leur égard ?

A5: Les applications à la supraconductivité et aux phénomènes apparentés semblaient naturelles. On pourrait dire qu'un supraconducteur est aussi un type de superfluide, et notre théorie devrait lui être applicable également. Les vortex sont les excitations essentielles à considérer dans le superfluide et les cœurs de vortex peuvent être décrits comme des particules ponctuelles en deux dimensions, qui interagissent comme des interactions de Coulomb. Vous pouvez utiliser le même langage de vortex pour la supraconductivité sauf que les vortex dans un film supraconducteur interagissent avec une interaction de Coulomb écrantée avec une longueur d'écran finie.

Thouless et moi avons publié un article prédisant qu'il ne devrait pas y avoir de transition de phase dans les films supraconducteurs. Mais il s'est avéré que la longueur d'écran dans un film supraconducteur mince est souvent si longue—même plus grande que le système expérimental lui-même. Donc c'est très agréable de voir que notre théorie de superfluide peut aussi s'appliquer à certains films supraconducteurs. De même, pour un matériau bidimensionnel dont la longueur de pénétration est plus grande que son échelle dans une dimension, la transition KT peut aussi être appliquée.

Thouless a proposé toutes sortes de merveilleuses applications basées sur des idées topologiques.

La seule partie frustrante était que j'avais un problème de santé qui m'a empêché de participer pendant environ six mois. Depuis lors, la transition KT a trouvé des applications dans un large éventail de systèmes, quantiques et classiques.

Q6: Les concepts topologiques sont maintenant largement utilisés en physique, conduisant à des applications prometteuses des isolateurs topologiques et de l'informatique quantique, quelle est votre vision à leur sujet ?

A6: David Thouless mérite plus de crédit pour avoir introduit des idées topologiques en physique. Mais puisque j'étais impliqué, je suppose que mon nom y est aussi associé. Ma perspective à ce sujet est assez simple. Dans l'informatique quantique, vous avez besoin d'une sorte d'objet pour transporter l'information, donc ces objets topologiques sont particulièrement utiles parce qu'ils ne sont pas locaux—ils se propagent et sont donc moins susceptibles aux imperfections locales, qui sont inévitables dans le matériau normal. À mon avis, c'était l'avantage clé de ces matériaux topologiques.

Q7: Pouvez-vous nommer les trois questions non résolues les plus importantes en physique de la matière condensée ?

A7: La prédiction n'est pas mon avantage. Je préfère sauter dedans et explorer, et alors vous saurez naturellement ce qui est important. Une des questions non résolues importantes pour moi est dans les systèmes entraînés hors équilibre :

'Considérons un système entraîné hors équilibre a un ensemble d'états stationnaires possibles. Est-ce que l'un des états est unique ?'

Pour répondre à celle-ci, je pense qu'il faut inclure un certain bruit stochastique dans le système et le démarrer. Il finira par arriver à un stade d'un état stationnaire. Y a-t-il un état stationnaire unique ou déterministe ? Ou dépend-il des conditions initiales ? Une telle question importante—liée à l'évolution de la vie—peut ne pas sembler une question pour beaucoup. Cependant pour moi, c'est la question ultime, et aucun autre problème n'est d'égale importance.

Q8: Une de vos réalisations remarquables est d'implémenter la topologie en physique, montrant un paradigme de rupture des frontières des disciplines. Notre journal eLight vise à élargir la frontière de l'optique et à explorer la recherche interdisciplinaire. Qu'est-ce qui devrait être le plus valorisé, lors de l'exploration de la recherche interdisciplinaire ? Quel type de recherche interdisciplinaire pourrait générer un large impact ?

A8: J'ai pensé à de telles questions—mais sans aucune réponse. La vérité est, beaucoup de découvertes majeures sortent de nulle part. Certaines idées étranges et ridicules peuvent finalement s'avérer pertinentes et correctes. Je ne crois pas que quiconque puisse prédire de quel domaine ou direction une idée importante viendra—elle pourrait émerger de n'importe où. Donc, ne vous concentrez pas sur faire un large impact pendant que vous faites de la recherche. Quand je travaillais sur la transition KT, je ne visais pas le prix Nobel. Je l'ai poursuivi simplement parce que cela avait du sens pour moi. L'idée de se réveiller un matin et de dire, 'Aujourd'hui, je vais faire quelque chose digne d'un prix Nobel' serait bien, mais ce n'est pas comme ça que la science fonctionne. Il n'y a aucun moyen de dire ce qui va être important. La seule chose qu'on peut faire est de conquérir un problème qui vous intéresse vraiment. Amusez-vous à le faire et si vous avez de la chance, cela s'avérera important avec des applications ici et là.

L'interdisciplinarité est bien sûr importante, et vous devriez essayer de faire comprendre vos travaux aux personnes d'autres disciplines. David R. Nelson m'a compris et a essayé de préparer une expérience, et j'ai été témoin d'expériences auxquelles je n'avais jamais pensé. L'interdisciplinarité peut faire comprendre les théoriciens et les expérimentateurs, et trouver la vérité. Peu importe à quel point votre théorie est fantaisiste, l'autorité ultime est de savoir si la prédiction de votre théorie peut être vérifiée ou non.

Q9: En regardant en arrière, y a-t-il eu un moment décisif ou une perspicacité cruciale qui vous a aidé à persister dans votre recherche malgré le scepticisme précoce ?

A9: Ce qui a compté le plus pour moi n'était pas une pensée ou une idée particulière—c'était de rencontrer les bonnes personnes et de trouver le bon problème sur lequel travailler. Mon conseil personnel pour surmonter le scepticisme est celui-ci : trouvez un problème qui vous excite vraiment. Une fois que vous êtes excité, vous êtes motivé, et cette motivation vous portera. Si votre travail est solide et correct, le scepticisme finira par s'estomper.

Une autre perspicacité clé est de s'amuser avec votre recherche. C'est plus facile à dire qu'à faire, parce que si vous êtes payé pour faire de la recherche, généralement ce que vous trouvez amusant n'est pas ce que celui qui vous paye trouve amusant. Beaucoup de gens priorisent le succès sur le plaisir, mais la vérité malheureuse est, peu de gens réussissent réellement. C'est pourquoi il est important de lâcher la pression d'être important ou célèbre.

Au lieu de cela, trouvez un problème qui vous allume, puis plongez—sans vous soucier de ce que les autres pensent. Si vous avez de la chance, cela pourrait s'avérer important. Et en fait, je crois personnellement que si vous vous amusez vraiment à faire votre recherche, vous aurez aussi une meilleure chance de réussir.

Q10: Quel conseil donneriez-vous à la jeune génération intéressée par la physique théorique ?

A10: Personnellement, j'ai été extrêmement chanceux. Mon père était un universitaire bien connu—brillant avec plein d'idées non conventionnelles ou même hérétiques. Il était aussi une personne déterminée, croyant fermement que ses idées étaient importantes et valaient la peine d'être travaillées. Cette attitude m'a infecté et ma carrière académique a été dédiée à essayer de comprendre les choses. Mon conseil à la jeune génération, comme à travers toute la conversation, est de 's'amuser'. Vous poursuivez un chemin vers les scientifiques. Les scientifiques ne font peut-être pas la plus grande vie ; pour moi, j'aime ça parce que je suis payé pour m'amuser.

Références
DOI
10.1186/s43593-025-00090-0

URL de la source originale
https://doi.org/10.1186/s43593-025-00090-0

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