Les gens de l’IP — Natasha Perkins et l’attrait du magnétisme

Lorsque Natasha Perkins était doctorante à l’Université d’État de Moscou, les gens lui demandaient souvent pourquoi elle se donnait tant de peine dans son domaine de recherche. Elle étudiait des quasiparticules magnétiques appelées polaritons qui, selon ses interlocuteurs, ne seraient jamais observées. N’était-ce pas une perte de temps?

Un peu plus de 20 ans plus tard, les sceptiques ont été confondus. Les polaritons magnétiques des années de doctorat de Natasha Perkins ont fait l’objet d’études expérimentales dans une variété de systèmes finis, des pellicules minces et autres surfaces planes jusqu’aux excitations d’ondes de spin dans des nanofils et nanotubes magnétiques. Un autre de ses sujets de recherche — la condensation de Bose-Einstein de magnons — a également donné lieu à des observations, grâce aux immenses progrès de la technologie expérimentale.

Et il y a eu aussi un bond sur le plan théorique : les deux phénomènes sont étroitement liés à la spintronique, domaine de recherche en plein essor qui étudie l’influence du spin électronique sur la conduction électrique.

Ironie du sort, Mme Perkins n’étudie plus ces quasiparticules magnétiques. Pour son postdoctorat, elle s’est intéressée à un autre casse-tête : le magnétisme dans les systèmes électroniques fortement corrélés, et en particulier le magnétisme frustré (phénomène qui se produit lorsque la structure interne d’un matériau bloque, ou frustre, les configurations de spin qui conduisent au magnétique) dans les métaux de transition et les terres raress.

L’étude de ces états quantiques inhabituels de la matière est encore très théorique, et une grande partie des travaux actuels de Natasha Perkins est loin des étapes d’observation. Mais la chercheuse ne s’en fait pas avec cela. Son expérience lui montre qu’un jour peut-être pas si lointain, tout cela pourrait changer.

Maintenant professeure à l’Université du Minnesota et boursière invitée Emmy-Noether à l’Institut Périmètre, Mme Perkins déclare : « Grâce aux installations de diffusion des neutrons et aux synchrotrons, qui ont une résolution bien supérieure, des choses que l’on ne s’imaginait pas pouvoir mesurer il y a 10 ou 15 ans deviennent accessibles. Beaucoup de phénomènes autrefois considérés comme purement théoriques sont maintenant facilement observables. » [traduction].

Natasha Perkins était encore très jeune lorsqu’elle s’est sentie nettement attirée par la physique. Elle a grandi à Doubna, petite ville située à 120 km au nord de Moscou. C’est là qu’en 1956, le gouvernement a mis sur pied l’Institut unifié de recherche nucléaire, équivalent du CERN pour les pays du bloc de l’Est.

Les deux parents de Natasha étaient physiciens — son père en physique nucléaire théorique, sa mère en recherche expérimentale sur les hautes énergies —, et la ville recevait beaucoup de chercheurs venant des autres pays du bloc de l’Est.

« À l’école, explique Mme Perkins, les étrangers formaient entre un quart et un tiers de ma classe, ce qui était très inhabituel en Union soviétique. En un sens, nous étions privilégiés : nous vivions avec des gens d’autres pays. Dans la vie quotidienne, nous échangions des traditions et des points de vue différents. Cela faisait de nous des personnes plus ouvertes et plus libres.

« D’une certaine manière, mon désir de devenir physicienne était liée à ce mode de vie. Je voulais travailler sur des problèmes qui intéressent les gens indépendamment de l’endroit où ils vivent. La physique est universelle, et c’est pourquoi j’ai choisi ce domaine. » [traduction]

Natasha Perkins a donc décidé d’être physicienne comme ses parents, mais elle ne voulait pas suivre exactement leurs traces. Lorsqu’est venu le moment de choisir une spécialité, en 3^e année d’université, elle a opté pour la matière condensée, en se concentrant sur le magnétisme.

Comme elle l’explique, le magnétisme est l’une des plus anciennes propriétés de la nature et l’un des plus anciens domaines de la science. Les gens connaissent et utilisent des matériaux magnétiques depuis des milliers d’années, mais leur compréhension du phénomène était très limitée. Il se trouve que les substances ferromagnétiques qui servent à maintenir des photos sur nos réfrigérateurs ne sont pas les aimants les plus répandus. Ce sont plutôt les matériaux antiferromagnétiques qui sont les plus abondants.

Dans ces matériaux, les « moments magnétiques » des atomes s’alignent en alternance selon un motif régulier où des atomes voisins ont des spins opposés. Mais ce n’est qu’avec le développement de la mécanique quantique au XX^e siècle que l’humanité s’est rendu compte de l’existence des matériaux antiferromagnétiques.

« Les matériaux antiferromagnétiques sont courants dans les composés de métaux de transition, en particulier des oxydes, mais les gens ne les connaissaient pas, explique Mme Perkins. Ces matériaux sont présumés non magnétiques, car leurs propriétés magnétiques sont essentiellement cachées. Il a fallu la mécanique quantique pour comprendre que ces matériaux ne sont pas dénués d’intérêt. » [traduction]

La physique quantique a été à l’origine d’une révolution dans la compréhension des matériaux antiferromagnétiques. Aujourd’hui, une révolution semblable s’annonce dans notre compréhension des liquides de spin quantique — ensembles de spins quantiques en interaction qui se présentent en ordre dispersé plutôt que dans un aimant ordonné —, grâce à une meilleure connaissance de la topologie.

Les applications et les implications des liquides de spin quantique sont peut-être encore partiellement inconnues aujourd’hui, mais une percée pourrait survenir un de ces jours. Comme le fait remarquer Natasha Perkins, la topologie était considérée comme un pur jouet mathématique lorsqu’elle a été élaborée dans les années 1970 et 1980, mais en 2016, ses créateurs ont reçu le prix Nobel de physique.

« Nous nous rendons compte maintenant que les liquides de spin quantique peuvent être classés selon leurs propriétés topologiques, explique Mme Perkins. Il est important de savoir s’ils ont ou non un ordre topologique. Je crois que c’est pour cela qu’il y a aussi un intérêt marqué envers les matériaux magnétiques qui ont un fort couplage spin-orbite. Ces matériaux sont probablement les meilleurs candidats pour la recherche de liquides de spin quantique, parce que la topologie se révèle en eux de la manière la plus forte. » [traduction]

C’est ce qui a amené Natasha Perkins à l’Institut Périmètre. En tant que boursière invitée Emmy-Noether, elle a pu se dégager de ses obligations d’enseignement au Minnesota pour se consacrer entièrement à la recherche. Cette période s’est avérée féconde : non seulement la scientifique a poursuivi ses travaux sur des phénomènes exotiques dans des systèmes réels à fort couplage spin-orbite, mais elle a aussi commencé à étudier les glaces de spin quantique — autre forme de magnétisme frustré

Ses plus récents travaux théoriques ne donneront peut-être pas lieu avant longtemps à des réalisations expérimentales, mais cela ne lui pose pas un gros problème. « Si la question est bien posée et intéressante, dit-elle, on peut toujours y travailler. Les bons problèmes méritent d’être résolus. » [traduction]

Emmy Noether, la première dame des mathématiques