Aller au contenu principal

Philippe Bourges : L’ordre caché de la matière

Portraits de chercheurs Article publié le 04 mars 2021 , mis à jour le 04 mars 2021

Lauréat en 2020 du prix Science et Innovation du CEA de l’Académie des sciences, Philippe Bourges est directeur de recherche au sein du groupe « Nouvelles frontières dans les matériaux quantiques » du Laboratoire Léon Brillouin (LLB - Université Paris-Saclay, CEA, CNRS). Il est spécialiste de l’étude des nouveaux états électronique de la matière et étudie tout particulièrement les nouveaux supraconducteurs à haute température critique à base d‘oxydes de cuivre. Il a ainsi découvert l’existence d’un nouvel état de la matière potentiellement associé à des bouches de courants inter-atomiques. 

Philippe Bourges est un expert en diffraction et spectrométrie neutronique. « Les matériaux que j’étudie permettent non seulement d’interagir avec les noyaux des atomes, mais aussi avec le magnétisme en général », explique le chercheur. Comme pour les rayons X, deux types d’interactions neutron-matière sont possibles. « Grâce à leurs spins, les neutrons aident à sonder les aspects magnétiques de la matière, explicite le chercheur. Ils ont l’avantage de posséder des longueurs d’onde qui correspondent aux distances dans les réseaux atomiques et, en même temps, leur énergie est similaire à celle des excitations dans les solides. » Ainsi, le physicien peut cartographier les structures ou textures magnétiques dans les matériaux, qu’elles soient statiques ou dynamiques, et les ondes de spin, qui sont comme des vibrations des moments magnétiques. 

Un état magnétique nouveau

Pendant une quinzaine d’années, Philippe Bourges étudie avec son équipe les fluctuations magnétiques associées au spin du cuivre et y découvre une nouvelle excitation magnétique originale. Dès les années 1990, une phase très mystérieuse est découverte en amont de la supraconductivité, avec des comportements très inhabituels, qui ne sont pas décrits par le modèle théorique de la supraconductivité établi depuis 1957. « Lorsque nous aurons compris cette phase appelée « pseudo-gap », tout devrait s’éclaircir », assure le chercheur. C’est grâce à une prédiction d’un théoricien américain - Pr. Chandra Varma de Lucent technologies/Bell Labs -, avec qui il échange depuis la fin des années 90, que Philippe Bourges réussit à mettre au point l’expérience pour mesurer un état magnétique nouveau, qui se situe exactement dans cette phase. Une première publication retentissante paraît en 2006.

Une nouvelle organisation de la matière

Convaincu que ce type d’état quantique est beaucoup plus général que ce l’on pense de prime abord, Philippe Bourges tente de trouver de nouveaux matériaux, comme l’oxyde d’iridium, qui répondent à ce type de comportement : « Il n’est pas supraconducteur mais pourrait l’être, car nous y avons observé le même phénomène ». 

Cet état de la matière échappe à beaucoup de sondes expérimentales et sa signature demeure ténue. Aussi parle-t-on souvent d’un « ordre caché » de la matière, que seul un travail long et minutieux peut dévoiler. Les expériences se font au gré des temps de faisceau obtenus sur différentes sources de neutrons en France, comme le réacteur Orphée, à Saclay jusqu’à 2019, et à l’Institut Laue Langevin, à Grenoble, ou à l’étranger, comme en Suède, à l’ESS (European Spallation Source). Ce un projet européen démarrera en 2023 et le physicien y est impliqué dans le cadre de la construction d’un instrument de diffusion neutronique (BIFROST). La création d’une nouvelle source de neutrons est aussi envisagée à Saclay. Le chercheur collabore également avec d’autres laboratoires de Saclay, en particulier l’Institut de chimie moléculaire et des matériaux d'Orsay (ICCMO – Université Paris-Saclay, CNRS) où sont préparés les monocristaux dont il a besoin pour ses expériences et le Laboratoire de physique des solides (LPS – Université Paris-Saclay, CNRS).

Le Woodstock de la physique 

Lorsque Philippe Bourges soutient sa thèse en 1989 à l’Université de Rennes, la supraconductivité à haute température critique n’a été découverte que trois ans plus tôt. « On a baptisé cette période "le Woodstock de la physique". C’était fantastique : les physiciens se sont précipités pour travailler sur ces nouveaux matériaux. » Le jeune doctorant s’y intéresse aussi beaucoup et rejoint le laboratoire du CEA à Saclay pour réaliser ses premières expériences. La collaboration se poursuit en tant que scientifique du contingent dans le cadre de son service militaire. « C’est à ce moment-là que je me suis formé au magnétisme, raconte le chercheur. Tout s’est ensuite aligné naturellement. » Dans la foulée, le CEA le recrute comme ingénieur-chercheur. Peu de temps après, son directeur de laboratoire décède prématurément, un « choc » qui l’oblige à prendre des responsabilités scientifiques plus tôt que prévu, notamment à impulser des collaborations internationales qui lui valent aujourd’hui d’être invité partout dans le monde. 

Bien que le prix de l’Académie des sciences l’ait beaucoup surpris — « il récompense un travail qui a en réalité commencé en 2004, chaque année apportant quelque chose de nouveau au sujet » —, la reconnaissance de la communauté scientifique fait plaisir à Philippe Bourges. « Et grâce à ce prix, mon travail de recherche très pointu sera mieux connu », se réjouit le chercheur.