Le Prix Nobel de physique récompense un trio

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Trois chercheurs sont récompensés par le Nobel de physique 2025: le Britannique John Clarke, l’Américain John M. Martinis et le Français Michel H. Devoret pour leurs publications faites dans les années 1990. Ils ont permis de mieux comprendre les objets microscopiques, portant la physique quantique sur une nouvelle échelle.

Le physicien Erwin Schrödinger a posé les bases de la physique quantique avec notamment Werner Heisenberg au début du XXᵉ siècle. Une belle façon de célébrer ce centenaire.

Les trois scientifiques sont récompensés « pour la découverte de l’effet tunnel macroscopique en mécanique quantique et de la quantification de l’énergie dans un circuit électrique ».

En résumé, les lauréats ont mené des expériences avec un circuit électrique dans lequel ils ont démontré à la fois l’effet tunnel quantique et les niveaux d’énergie quantifiés dans un système suffisamment grand pour tenir dans la main.

Plusieurs particules se comportant comme une seule

En 1984 et 1985, John Clarke, Michel H. Devoret et John M. Martinis ont mené une série d’expériences avec un circuit électronique composé de supraconducteurs, des composants capables de conduire le courant sans résistance électrique.

Dans ce circuit, les composants supraconducteurs étaient séparés par une fine couche de matériau non conducteur, une configuration connue sous le nom de jonction Josephson.

En affinant et en mesurant toutes les différentes propriétés de leur circuit, ils ont pu contrôler et explorer les phénomènes qui se produisaient lorsqu’ils y faisaient passer un courant. Ensemble, les particules chargées se déplaçant à travers le supraconducteur formaient un système qui se comportait comme s’il s’agissait d’une seule particule remplissant l’ensemble du circuit.

1. Dans un conducteur normal, les électrons se bousculent entre eux et avec le matériau.2. Lorsqu'un matériau devient supraconducteur, les électrons s'assemblent par paires, appelées paires de Cooper, et forment un courant sans résistance. L'espace dans l'illustration marque la jonction Josephson.3. Les paires de Cooper peuvent se comporter comme si elles formaient une seule particule qui remplit tout le circuit électrique. La mécanique quantique décrit cet état collectif à l'aide d'une fonction d'onde partagée. Les propriétés de cette fonction d'onde jouent un rôle prépondérant dans l'expérience des lauréats. [The Royal Swedish Academy of Sciences - Johan Jarnestad] — 1. Dans un conducteur normal, les électrons se bousculent entre eux et avec le matériau. 2. Lorsqu’un matériau devient supraconducteur, les électrons s’assemblent par paires, appelées paires de Cooper, et forment un courant sans résistance. L’espace dans l’illustration marque la jonction Josephson. 3. Les paires de Cooper peuvent se comporter comme si elles formaient une seule particule qui remplit tout le circuit électrique. La mécanique quantique décrit cet état collectif à l’aide d’une fonction d’onde partagée. Les propriétés de cette fonction d’onde jouent un rôle prépondérant dans l’expérience des lauréats. [The Royal Swedish Academy of Sciences – Johan Jarnestad]

Leurs expériences sur une puce ont révélé la physique quantique en action. Car une des questions majeures en physique est la taille maximale d’un système pouvant démontrer des effets quantiques. Tout fonctionne sur de très petits objets, mais plus on évolue vers le marcroscopique, moins les propriétés étranges du monde quantique sont observées.

Ce système macroscopique semblable à une particule se trouve initialement dans un état où le courant circule sans tension. Le système est piégé dans cet état, comme s’il était bloqué derrière une barrière infranchissable. Dans l’expérience, le système montre son caractère quantique en parvenant à échapper à l’état de tension nulle grâce à l’effet tunnel. Le changement d’état du système est détecté par l’apparition d’une tension.

Lorsque vous lancez une balle contre un mur, vous avez la certitude qu'elle vous reviendra. C'est ce qui se passe en physique classique. La surprise serait extrêmement grande si la balle apparaissait soudainement de l'autre côté du mur. En mécanique quantique, ce type de phénomène est appelé "effet tunnel" et c'est précisément ce type de phénomène qui lui a valu sa réputation d'être bizarre et contre-intuitif. [The Royal Swedish Academy of Sciences - Johan Jarnestad] — Lorsque vous lancez une balle contre un mur, vous avez la certitude qu’elle vous reviendra. C’est ce qui se passe en physique classique. La surprise serait extrêmement grande si la balle apparaissait soudainement de l’autre côté du mur. En mécanique quantique, ce type de phénomène est appelé « effet tunnel » et c’est précisément ce type de phénomène qui lui a valu sa réputation d’être bizarre et contre-intuitif. [The Royal Swedish Academy of Sciences – Johan Jarnestad]

La quantique à la base des technologies numériques

Les lauréats ont également pu démontrer que le système se comporte de la manière prévue par la mécanique quantique: il est quantifié, ce qui signifie qu’il n’absorbe ou n’émet que des quantités spécifiques d’énergie.

Les découvertes des trois lauréats ont débouchés sur plusieurs avancées: la physique quantique sur puce, des atomes artificiels modifiables, étudier les propriétés quantiques des oscillateurs mécaniques et développer l'une des plateformes pour les ordinateurs quantiques. [Royal Academy of Science - nobelprize.org] — Les découvertes des trois lauréats ont débouchés sur plusieurs avancées: la physique quantique sur puce, des atomes artificiels modifiables, étudier les propriétés quantiques des oscillateurs mécaniques et développer l’une des plateformes pour les ordinateurs quantiques. [Royal Academy of Science – nobelprize.org]

« C’est merveilleux de pouvoir célébrer la façon dont la mécanique quantique, vieille d’un siècle, continue d’offrir de nouvelles surprises. Elle est également extrêmement utile, car la mécanique quantique est à la base de toute la technologie numérique », déclare Olle Eriksson, président du comité Nobel de physique.

Les transistors des micropuces informatiques sont un exemple de la technologie quantique établie qui nous entoure. Le prix Nobel de physique de cette année a ouvert des perspectives pour le développement de la prochaine génération de technologies quantiques, notamment la cryptographie quantique, les ordinateurs quantiques et les capteurs quantiques.

« C’est la surprise de ma vie »

Joint par le Comité Noble, le professeur Clarke, de l’Université de Californie, dit au téléphone: « C’est la surprise de ma vie ». Emu, il avoue être déçu que ses deux autres collègues ne soient pas aussi en communication avec Stockholm à l’instant.

A une autre question, il réitère: « Je suis stupéfait. Je n’aurais pas pensé que ces recherches puissent un jour m’accorder le Prix Nobel ». Jamais il n’a imaginé que ses expériences soient aussi importantes pour l’avenir.

Le montant du prix Nobel de physique s’élève à 11 millions de couronnes suédoises, ce qui correspond à environ 935’000 francs.

Rtsinfo