André-Marie Tremblay : la physique au bout du crayon

De la percolation à la nouvelle supraconductivité, André-Marie Tremblay poursuit, à l’Université de Sherbrooke, une déjà très brillante carrière en physique théorique. Étudiant puis chercheur à succès, il explique aussi sa réussite par le dynamisme de ses collègues et des étudiants de son milieu de travail, le Centre de recherche en physique du solide.

[Pour souligner le 100^e anniversaire de la découverte de la supraconductivité, voici la republication d'une rencontre avec l'un de ceux qui font avancer ce champ de recherche au Québec. André-Marie Tremblay est toujours professeur-chercheur à l'Université de Sherbrooke et il y poursuit ses recherches sur la matière condensée. Les propos ont été recueillis par Yanick Villedieu et publiés dans Interface, en novembre 1988. La rédaction]

La matière condensée

Vous vous attendiez à des machins électroniques et des bidules pleins de cadrans compliqués, et vous voilà dans un bureau semblable à n’importe quel bureau de professeur d’université : espace compté, confort sommaire, bouquins à faire craquer les étagères, photos de famille épinglées à côté de communiqués, étudiants cognant à la porte. Mais de « labo » point.

André-Marie Tremblay, physicien de son métier, s’amuse de mon étonnement. « Je travaille avec un crayon, du papier et des livres, me rassure-t-il. Et, quelquefois, un ordinateur. »

Les joujoux exotiques (et coûteux) de la physique des hautes énergies — celle des cyclotrons, des collisionneurs et autres accélérateurs de particules —, ce n’est effectivement pas le genre de mon interlocuteur.

D’abord parce qu’il fait de la physique de la matière condensée — celle, précise-t-il, du monde accessible à nos sens et à nos niveaux d’énergie —, et qu’à ce titre il s’intéresse, tout bonnement, aux fluides et aux matériaux solides. Ensuite et surtout parce qu’il est, par choix et par vocation, un théoricien et pas un expérimentateur. Un chercheur d’idées. Un découvreur de lois et de propriété générales. Un homme de formules et d’équations.

« Mais pas un mathématicien, précise-t-il. Les mathématiques sont pour moi un outil, pas une fin. Je demeure un physicien : je cherche à comprendre des phénomènes qui apparaissent dans la matière. »

Comme, par exemple, ceux qui apparaissent dans la matière désordonnée, que d’aucuns appellent aussi la matière « mal condensée ». L’expression, bien sûr, a ce parfum de poésie et d’insolite dont raffolent les physiciens. Mais elle dit bien ce qu’elle a à dire. Elle désigne en particulier des matériaux hétérogènes, c’est-à-dire des matériaux faits de deux éléments aux propriétés physiques très différentes, pour ne pas dire carrément opposées : le rigide et l’élastique; le dur et le mou; le conducteur et l’isolant; ou encore, le plein et le vide (la matière représente un élément du mélange, l’autre élément étant le vide, l’absence de matière).

Ces composés hétérogènes à première vue bizarroïdes, il en existe en fait des centaines dans I’univers accessible à nos sens. Les gels et gelées alimentaires, comme le yogourt et la gélatine sont des exemples de matériaux élastiques mous faits de deux éléments : une « armature » déformable en tous sens et qui retient entre ses mailles la substance à proprement parler alimentaire. La famille de plus en plus nombreuse des matériaux dits « composites », la plupart du temps faits d’un savant mélange de fibres rigides et de polymères, tombe-t-elle aussi sous l’empire de la physique de la matière « mal condense ». Autre exemple : un type de condensateur. Ou, exemple cette fois de mélanges plein-vide, des matériaux poreux comme certaines roches ou des filtres. Ou encore, pour choisir un exemple d’un modèle (deux dimensions) cher aux physiciens « du désordre », un grillage dont on supprime de façon aléatoire un certain nombre de liens ou de mailles.

Des questions simples mais désarmantes

Les physiciens, c`est de notoriété publique, aiment se poser des questions simples, mais désarmantes. Les matériaux hétérogènes n’ont donc pas manqué de leur en souffler quelques-unes. À partir de quelle proportion d’isolant, un mélange isolant-conducteur cesse-t-il d’être conducteur? À partir de combien de vide (trous ou fissures) une roche n’est-elle plus imperméable, mais poreuse? Combien faut-il couper de mailles d’un réseau grillagé pour qu’il cesse de laisser passer un courant électrique? Quelle quantité de caoutchouc peut-on inclure dans un béton pour qu’il soit élastique sans devenir pour autant une vulgaire guimauve?

Toutes ces questions, on le comprend quand on les pose l’une à la suite de I’autre, ont un air certain de parente. La physique classique, qui essayait d’y répondre depuis longtemps, s’y était pourtant cassé le nez. Elle pouvait expliquer ce qui se passait dans des mélanges composés de matériaux aux propriétés voisines, en établissant une sorte de moyenne entre ces propriétés; mais elle ne parvenait pas rendre compte de ce qui se passait dans les matériaux « fortement hétérogènes » dans la matière « en démordre », dont il est question ici.

De la percolation

Une approche nouvelle, fondée sur le concept de percolation (par référence, justement, au phénomène qu’on observe avec un matériau poreux), permet par contre d’y voir plus clair. Cette approche s’attache décrire le moment critique on un mélange passe d’une propriété à une autre (ce moment ou un matériau conducteur cesse de I’être, où un filtre se bouche, ou un yogourt se boit au lieu de se manger). Ce moment critique, les physiciens l’appellent « seuil de percolation ».

« Ce qui passionne un théoricien comme moi, d’expliquer André-Marie Tremblay , c’est précisément ce qui se passe autour de ce fameux seuil de percolation : il existe en effet des propriétés universelles de ces mélanges, indépendantes de leur nature – des propriétés qu’on retrouve aussi bien quand on parle de porosité que d’élasticité ou de caractéristiques électriques ».

Une des contributions importantes d’André-Marie Tremblay la théorie de la percolation, c’est la découverte de « familles d’exposants », pour les matériaux composites. « Alors qu’on ne s’intéressait qu’à un ou deux exposants, nous avons contribué à montrer qu’il en existait en fait pratiquement une infinité, ce qui a bouleversé une idée reçue dans notre façon de concevoir la théorie de la percolation ».

Une autre de ses contributions — sa signature de chercheur, pourrait-on dire —, c’est sa capacité de faire des analogies, d’utiliser ce qu’on l’on sait d’un domaine pour I’appliquer à un autre. « C’est comme ça que I’esprit humain fonctionne, souligne le théoricien, mais il faut prendre garde de ne pas tomber dans le panneau des analogies trop belles, trop faciles. Cela dit, si l’on prend I’exemple de la percolation, on peut faire des analogies non seulement entre les propriétés électriques et élastiques de certains matériaux hétérogènes, mais aussi entre ces propriétés et des phénomènes de transition de phases plus classiques, un liquide qui devient gaz, par exemple, ou un aimant qu’on chauffe et qui perd son aimantation. Dans tous les cas, il s’agit des phénomènes collectifs affectant un ensemble de particules, et c’est ça notre champ d’études ».

Pointu? Pas nécessairement, répond en substance Andre-Marie Tremblay. « La percolation est devenue un sujet populaire en physique de la matière condensée, note-t-il, et nous sommes quelques centaines dans le monde à travailler dans ce domaine ».

Car même si ce genre de recherche toujours fondamentale a l’air quelque peu éthéré, on n’est peut-être pas si loin, après tout, des applications industrielles. Les matériaux composites, on le sait, ont et vont de plus en plus avoir le vent dans les voiles. Les études de porosité de la roche sont d’un intérêt direct pour l‘industrie pétrolière. Les travaux sur les propriétés électriques de certains composent spéciaux peuvent déboucher sur des innovations technologiques importantes en électronique. « Au fond, philosophe André-Marie Tremblay, nos collègues de la physique des particules sont à la recherche du Saint-Graal. Nous, en physique de la matière condensée, nous sommes ouverts à la chimie, à la biologie, et nous sommes un peu comme des chercheurs d’or : nous ne savons jamais où nous ferons nos découvertes les plus importantes ».

De la supraconductivité

Preuve supplémentaire de cet état de fait : la nouvelle supraconductivité la supra à haute température comme on dit dans le jargon du milieu. On de rappelle qu’au tout de l’année 1987, une véritable bombe éclatait dans le ciel de la physique : on venait découvrir des matériaux qui perdaient toute résistance électrique des températures beaucoup plus hautes que les matériaux supraconducteurs traditionnels (on passait d’une vingtaine de degrés Kelvin à une centaine de degrés Kelvin — ce qui est encore très froid, c’est un fait, mais ce qui est largement au-dessus de la température de l’azote liquide). De curiosité de laboratoire, la supra devenait d’un coup une éventualité industrielle. La découverte et d’ailleurs si sensationnelle qu’elle valait à ses auteurs, quelques mois plus lard à peine, le prix Nobel de physique.

Depuis, on a concocté des dizaines de recettes de ces nouveaux supraconducteurs. Mais on n’a toujours pas compris pourquoi ils ont cette propriété. André-Marie Tremblay voudrait contribuer à trouver la réponse à cette question fondamentale. Il existe des modelés pour comprendre le comportement collectif des électrons dans un matériau, explique-t’-il. Ces modèles semblent s’appliquer aux supraconducteurs, mais ils sont encore mal compris sur le plan théorique. La nouvelle supraconductivité ramène donc ces questions sur la table des théoriciens, donc sur la mienne, dit encore le chercheur en notant encore que pour I’instant, plusieurs centaines de théories de la supra sont sur le marché ».

Un jeune chercheur à succès

André-Marie Tremblay est ce qu’on peut appeler un jeune chercheur à succès. À 35 ans, il a déjà une feuille de route étonnante. Classe premier à un test passe  l’entrée au Massachusetts Institute of Technology, dont il a obtenu un doctoral à 25 ans, il a publié depuis en moyenne six articles par an dans les meilleures revues de sa discipline et collabore avec des chercheurs de renommée au Canada, aux États-Unis et en France. En 1986, il obtenait la médaille Herzberg de l’Association canadienne des physiciens. L’année suivante, il recevait le prix Steacie du Conseil des recherches en sciences naturelles et en génie, alors qu’il passait un an commevisiting scientist  l’Universite Cornell,  Ithaca, New York, où il avait déjà fait deux années d’études postdoctorales. II est de plus membre associé de l’lnstitut canadien de recherches avancées (section supraconductivité , un club sélect qui regroupe, sous la forme d’un institut sans murs, la crème des chercheurs en sciences des matériaux, en épidémiologie, en biologie de l’évolution, en cosmologie, en intelligence artificielle et en robotique.

Pas de succès sans équipe

Il insiste cependant pour souligner l’importance de son groupe de collègues et d’étudiants pour la poursuite de son travail. Au Centre de recherche en physique du solide qui s’est constitué à l’Université de Sherbrooke (une dizaine de professeurs-chercheurs plus des étudiants de 2e et 3e cycles), il trouve une équipe solide et dynamique de spécialistes de la matière condensée. En supraconductivité par exemple, il existe un noyau de chercheurs expérimentateurs avec lesquels, comme théoricien, il travaille en équipe.

Ce centre, subventionne par le Fonds pour la formation de chercheurs et l’aide à la recherche (FCAR), fonctionne bien, dit Andre-Marie Tremblay. « C’est vrai que nous sommes toujours au bord de la ruine, souligne-t-il, parce qu‘on ne sait jamais quelle subvention peut disparaître. Mais nous avons toujours eu les moyens de faire la recherche que nous voulions - même s‘il faut dire que dans les équipes de physique expérimentale, où le matériel coûte parfois cher, on dépend davantage des sources de subvention que du côté de la recherche théorique ».

Un faible pour la physique théorique

Mais pourquoi, au fait, cette passion pour la physique théorique et pas pour les grosses machines de la Big Science?  Au départ , reconnait André-Marie Tremblay, j’étais moi aussi attiré par la physique des particules et par le Saint-Graal, mais je me suis vite rendu compte que très peu de chercheurs pouvaient faire des contributions significatives dans ce domaine. De plus, je voulais revenir au Québec, ou I ‘on n’a pas d’installations importantes pour ce genre de recherche. En physique de la matière condensée, par contre, et particulièrement en physique théorique de la matière condensée, on peut avancer de façon valable. Et on est dans un domaine stimulant sur le plan intellectuel, ne serait-ce que parce qu‘on utilise des outils mathématiques sophistiques ».

Visiblement, Andre-Marie Tremblay est un mordu, un passionné, mémé si la recherche en physique théorique a ses côtés frustrants, ses passages à vide, sa routine. Il fait ses délices des nombres fractals et de la « supraconductivité singulet de type d dans le modèle de Hubbard bidimensionnel anisotrope ». II veut tout simplement rester « à l’affut du nouveau, des nouvelles frontières». Continuer à former des étudiants.

« Et, résume-t-il, contribuer au développement et au progrès de la science du mieux que je peux ».