Le monde qui nous entoure est peuplé d’atomes et l’essentiel de l’information que nous recevons provient de la lumière. Comprendre les mécanismes fondamentaux des interactions entre le rayonnement et la matière lorsqu’elles sont poussées dans leurs ultimes retranchements, comprendre leurs différentes échelles de temps, des processus ultra rapides à l’émergence spontanée de temps de relaxation infiniment longs, voici quelques-uns des grands défis de la physique du XXIe siècle. Des défis que sont prêts à relever les physiciens du Laboratoire d’excellence Physique : Atome, Lumière, Matière (PALM).
La physique traitant d’objets ponctuels est un édifice maintenant solide. A toutes les échelles de la matière, l’étude des phénomènes quantiques a bouleversé les paradigmes de la physique classique et les applications technologiques qui en ont déjà découlé ont commencé à transformer notre vie quotidienne dans les domaines de la médecine, des technologies de l’information et de la communication, des nouveaux matériaux… Mais de nombreuses interrogations fondamentales subsistent. Par ailleurs, la recherche sur les propriétés émergentes et sur la complexité est en plein essor, avec des applications en vue dans des domaines aussi variés que la production et la dissipation d’énergie, le vieillissement des matériaux, ou le traitement de l’information dans les systèmes biologiques. Les sept cents physiciens réunis dans le Laboratoire d’excellence PALM qui travaillent sur un vaste ensemble de sujets en physique fondamentale et appliquée vont unir leurs forces autour de trois thèmes scientifiques prioritaires, nouveaux et rassembleurs par leur caractère très transversal.
La science au cœur de la matière
Depuis la cryptographie quantique jusqu’aux électrons dans les supraconducteurs à haute température critique, ce domaine se développe depuis une dizaine d’années à l’interface entre optique quantique et physique de la matière condensée. Il a atteint maintenant un degré de maturité permettant des collaborations décisives entre scientifiques de ces deux communautés. Les systèmes quantiques élémentaires et corrélés, qui vont des atomes froids jusqu’à la matière condensée forment donc le premier thème prioritaire. Le second thème scientifique concerne les dynamiques lentes et émergentes dans les systèmes hors-équilibre. Il réunit expérimentateurs, théoriciens et numériciens qui travaillent sur des objets différents (verres, milieux granulaires, fluides turbulents, matière molle, et même algorithmique) mais se trouvent face à un même défi : comprendre l’émergence des échelles de temps très longues et les structures associées. Et enfin le troisième thème est consacré aux processus ultra rapides et à leurs conséquences, de la perturbation des orbites électroniques à celle des molécules dans les réactions chimiques ou biologiques, jusqu’à la dynamique des transitions de phase en matière condensée. Il va promouvoir les collaborations entre les chercheurs travaillant sur les nouvelles sources de rayonnement, en particulier les lasers ultra-rapides, et les thèmes de chimie physique qui utilisent ces sources pour étudier la réponse en matière diluée ou condensée. L’innovation scientifique et technologique est bien évidemment un des moteurs de PALM. L’activité du Labex dans ce domaine est focalisée sur l’instrumentation, la métrologie, les moyens de contrôle développés pouvant faire l’objet d’une demande d’autres laboratoires ou d’industriels. Certaines des recherches peuvent être amenées à avoir des applications concrètes, par exemple en cryptographie, ou pour ce qui est des processus quantiques dits «élémentaires» nécessaires à la construction d’un ordinateur quantique.
Les phases «condensées» de la matière apparaissent dans les systèmes où le nombre de constituants est grand et les interactions entre eux sont fortes : solides et liquides en sont les exemples les plus courants.
CONTACT
Marc Mézard, Directeur du Laboratoire de Physique Théorique et Modèles Statistiques (Université Paris-Sud/CNRS), www.labex-palm.fr