Duncan Haldane : Le théoricien qui a attendu trente ans pour être cru

Il a publié dans les années 1980 des travaux qui contredisaient si radicalement la sagesse conventionnelle de la physique de la matière condensée qu'il a eu du mal à les faire publier. Trois décennies plus tard, après que d'autres scientifiques ont finalement construit des matériaux présentant les étranges états de la matière qu'il n'avait modélisés que sur papier, Duncan Haldane a reçu l'appel de Stockholm. « Mon travail était une sorte de dormeur », a-t-il déclaré par la suite, avec un euphémisme caractéristique. « Ce n'est devenu une affaire importante que lorsque mon travail a été étendu » par d'autres.

Les origines inhabituelles d'un physicien

Frederick Duncan Michael Haldane est né le 14 septembre 1951 à Londres. Il est le fils d'un médecin de l'armée britannique qui a rencontré la mère de Haldane, Ljudmila Renko, une étudiante en médecine slovène, alors qu'il était en poste près de la frontière entre la Yougoslavie et l'Autriche après la Seconde Guerre mondiale — un contexte qui a valu plus tard à Haldane la double nationalité britannique et slovène, cette dernière ayant été accordée en 2019. Il a fréquenté la St Paul's School à Londres avant d'entrer au Christ's College de Cambridge, où il a obtenu sa licence et, en 1978, son doctorat, sous la direction de Philip Warren Anderson, un physicien qui avait déjà remporté son propre prix Nobel pour ses travaux sur les systèmes désordonnés et magnétiques — un mentor approprié, compte tenu de la direction que prendrait la carrière de Haldane.

Théoriser une matière que personne n'avait encore vue

Le début de la carrière de Haldane l'a conduit à l'Institut Laue-Langevin en France de 1977 à 1981, puis à l'Université de Californie du Sud et, à partir de 1986, à l'Université de Californie à San Diego. C'est au cours de cette période, principalement dans les années 1980, qu'il a produit les travaux théoriques qui allaient définir sa carrière : appliquer la topologie — une branche des mathématiques concernée par les propriétés préservées par déformation continue, l'exemple classique étant qu'une tasse à café et un beignet sont équivalents car ils ont chacun exactement un trou — pour décrire le comportement magnétique de chaînes d'atomes unidimensionnelles et les phases surprenantes dans lesquelles la matière peut entrer à des températures extrêmement basses. Ce qui est devenu connu sous le nom de « conjecture de Haldane » prédisait une différence fondamentale de comportement entre les chaînes d'atomes avec un spin quantique entier et celles avec un spin demi-entier, une distinction qui semblait, à l'époque, presque trop étrange pour être physiquement réelle. Selon le récit de Princeton sur son année Nobel, Haldane a « lutté pour publier » ces travaux car ils allaient à l'encontre des hypothèses établies dans le domaine ; il faudra attendre que d'autres physiciens, des années plus tard, synthétisent réellement des matériaux possédant les propriétés décrites par ses équations pour que l'importance de l'idée devienne indéniable.

Princeton et la reconnaissance

Haldane a rejoint l'Université de Princeton en 1990, occupant finalement la chaire Eugene Higgins puis la chaire Sherman Fairchild de physique, poste qu'il occupe toujours. Ses recherches se sont élargies au fil des décennies pour couvrir les liquides de Luttinger, l'effet Hall quantique fractionnaire, l'analyse du spectre d'intrication, les isolants topologiques et les isolants de Chern, ainsi que les descriptions géométriques des phénomènes de Hall quantique utilisant ce que les spécialistes appellent des champs de tenseur métrique spatial unimodulaire — un territoire technique, mais qui étend la même idée sous-jacente selon laquelle la forme des mathématiques sous-jacentes à un système physique, et pas seulement son énergie, peut déterminer des phases de la matière entièrement nouvelles. Il a été élu membre de la Royal Society en 1996 et de l'American Physical Society une décennie plus tôt, ainsi que de l'American Academy of Arts and Sciences, de l'American Association for the Advancement of Science et de l'Institute of Physics britannique. Il a reçu le prix Oliver E. Buckley de la matière condensée en 1993 et la médaille Dirac en 2012, et a été élu à la National Academy of Sciences des États-Unis en 2017.

L'appel du Nobel

En octobre 2016, Haldane a partagé le prix Nobel de physique avec David Thouless de l'Université de Washington et J. Michael Kosterlitz de l'Université Brown « pour des découvertes théoriques sur les transitions de phase topologiques et les phases topologiques de la matière », des travaux que l'Académie royale des sciences de Suède a crédités de l'ouverture d'un champ de recherche entièrement nouveau reliant les mathématiques abstraites aux matériaux réels, un champ que le comité du prix a noté comme pouvant éventuellement alimenter de nouvelles générations de composants électroniques et d'ordinateurs quantiques. Haldane a reçu le traditionnel appel matinal de Suède vers 4h30, heure de Princeton, et selon ses propres dires, il a été à la fois surpris et gratifié — notamment parce qu'une grande partie des travaux théoriques sous-jacents avaient été réalisés des décennies plus tôt, discrètement, avant que la physique expérimentale ne les rattrape, et que le domaine lui-même avait, selon sa description, « explosé » depuis que les scientifiques ont appris à fabriquer des matériaux aux propriétés exotiques qu'il n'avait pu modéliser que sur papier. Il vit à Princeton, dans le New Jersey, avec sa femme, Odile Belmont.

Pourquoi Duncan est qualifié de génie

Le cas du génie est ici aussi clair que la physique le permet : Haldane a prédit, en utilisant des mathématiques pures, des phénomènes physiques que les expérimentateurs ne pourraient observer et confirmer que des décennies plus tard, après avoir construit des matériaux et des techniques qui n'existaient pas encore lorsqu'il a effectué ses travaux théoriques. C'est proche de la définition classique de la physique théorique à son apogée — décrire la nature correctement avant que la nature ne se soit montrée. L'honnête mise en garde est que Haldane n'a pas travaillé de manière isolée : il a partagé le prix avec deux autres physiciens dont les travaux parallèles (transitions de Kosterlitz-Thouless) forment un corps de théorie entrelacé, et l'impact réel du domaine — matériaux et dispositifs topologiques pratiques — est, selon Haldane lui-même, encore à un stade relativement précoce, plus une promesse qu'une technologie livrée. Son génie, en d'autres termes, est mieux décrit comme une modélisation mathématique exceptionnellement clairvoyante plutôt que comme une invention immédiate changeant le monde, le genre de contribution dont la valeur a mis trente ans à être pleinement enregistrée par la communauté scientifique.

Héritage

Le cadre topologique de Haldane est depuis devenu l'une des branches les plus actives de la physique de la matière condensée, étayant les recherches en cours sur des matériaux qui pourraient un jour soutenir des ordinateurs quantiques plus robustes et une électronique à plus faible consommation, précisément parce que les états protégés topologiquement résistent au type de petites perturbations qui perturbent la matière ordinaire. Sa carrière constitue une illustration exceptionnellement directe de la physique théorique justifiée selon ses propres termes : une idée considérée comme trop étrange pour être publiée facilement en 1983 a été, en 2016, jugée digne de la plus haute distinction scientifique.