Louis Taillefer

Matériaux supraconducteurs, physique des électrons, cristaux, métaux, céramique

Expert mondial de la supraconduction

"Suivez votre intuition. En ce qui me concerne, cette façon de procéder m’a toujours récompensé."

Un soir, pendant qu’il travaillait dans le célèbre laboratoire de physique Cavendish de l’University de Cambridge, Taillefer était en train de fabriquer un alliage aux propriétés magnétiques spécifiques pour ses recherches de doctorat. Il devait fondre un mélange de platine et de fer dans un fourneau high-tech et ensuite, avec une grande patience, le démouler pour obtenir un échantillon brillant et cristallin. Avant de commencer la fonte, il lui fallait couper la quantité exacte de métal nécessaire d’une petite barre. Il était assis dans ce laboratoire au sous-sol, taillant délicatement un petit morceau de métal, et éclata soudain de rire : “Hihihi ! Et voila, mon destin se réalise finalement : je taille du fer !” 

 

Une autre fois, toujours dans ce même laboratoire, Taillefer était complètement seul. C’était la semaine précédant Noël 1985 et tout le monde était parti pour les vacances. Une odeur d'huile chaude provenant de la pompe à vide flottait dans la pièce. Taillefer commença par vérifier qu'il ne portait aucune bague, puis ôta tous les objets métalliques de ses poches afin d’éviter qu’ils ne soient chauffés par accident. Le four à induction d’une tonne qu’il était sur le point d’utiliser pouvait chauffer le métal en émettant de puissantes ondes radio, et était capable de faire monter la température des bagues portées aux doigts, au point de brûler. Il augmenta la puissance du four jusqu’à 100 kilowatts, et un vrombissement régulier de 500-kilohertz se fit entendre dans la pièce. Il plaça un petit creuset en cuivre d’une dizaine de centimètre, à refroidissement à eau, contenant de l’uranium et du platine élémentaire, au centre des bobines du four, sous un vide très élevé. Taillefer contemplait les matériaux qui se dispersaient puis fondaient et se mêlaient. La fréquence radio émise par les bobines faisait bouger les électrons de l’uranium et du platine si rapidement que ces déplacements créaient assez de chaleur pour faire fondre les métaux et former un alliage, appelé uranium-platine (UPt3). Il était maintenant temps de le « zoner ». Taillefer retira le creuset tout doucement de la zone de fonte, de telle façon que le métal se solidifie en un petit lingot fait de plusieurs cristaux parfaits. Taillefer était particulièrement doué pour la fabrication de ces composants extrêmement purs.

La pureté est essentielle pour ce type de recherche, car la supraconduction et le magnétisme en dépendent. Les matériaux deviennent des supraconducteurs quand les électrons « décident » spontanément de se mettre par paire, de s'apparier. Une fois appariés, les électrons peuvent se déplacer au sein du matériau sans aucun effort, transportant l'électricité parfaitement et sans aucune résistance. Les impuretés peuvent parfois séparer ces paires, ce qui entraîne des problèmes lors des expériences. La supraconduction est une phase particulière d’un matériau comme, par exemple, quand l’eau se transforme en glace. De nombreux matériaux se transforment en supraconducteurs à des températures extrêmement basses.  

Taillefer était particulièrement excité car un nouvel équipement de laboratoire venait d'arriver, une sorte de réfrigérateur spécial qui pouvait refroidir les objets à une température proche du zéro absolu, moins 273 degrés Centigrade, ce qui est la température la plus froide de l’univers. Ce nouveau réfrigérateur à dilution pouvait refroidir tout objet à environ 10 millikelvin, c'est-à-dire à dix-millièmes de degré au dessus du point où il est impossible de descendre plus bas, le zéro absolu. Le professeur Mike Pepper venait juste d’acheter le réfrigérateur, et personne ne l’avait encore utilisé, et c’est pourquoi Taillefer souhaitait être le premier. Pour différentes raisons il dut cependant attendre quelques mois jusqu’aux vacances de printemps, et il s'avéra qu’il était le deuxième à réaliser une expérience à l’aide du réfrigérateur (mais la première expérience couronnée de succès). 

Avant d’effectuer son expérience, il devait aller dans un laboratoire au deuxième étage pour préparer son échantillon. C’était un laboratoire de caractérisation des matériaux à basse température, plein à craquer d’équipements électroniques et cryogéniques permettant de travailler avec des matériaux proches du zéro absolu. De grosses bonbonnes sous vide Dewar remplies d’hélium liquide et de nitrogène liquide à très basses températures voisinaient avec différents microscopes, détecteurs et autres instruments. En plaçant la petite barre d’uranium-platine sous un microscope, Taillefer était heureux. Mais, alors qu’il s’était retourné pour un moment, la barre tomba par terre, se brisant en 25 petits morceaux qui s'éparpillèrent sur le sol. Bizarrement, cet accident s’avéra plus tard avoir des conséquences heureuses.  

Taillefer enfila des gants de chirurgien pour récupérer les petits débris, et sélectionna l'un de ces petits morceaux pour son expérience. Lui et son équipe de recherche n'avaient accès au réfrigérateur que pour 10 % du temps et il était donc impatient de commencer l’expérience le plus vite possible. “À l’époque j’étais comme maniaque,” déclare Taillefer. Il installa une petite bobine de fil de cuivre qu’il avait fabriqué lui-même à la main sous un microscope  — un fil de 11 microns tourné 5000 fois. L'échantillon d’uranium-platine fut placé au milieu de la bobine, dans la chambre de réfrigération. Un puissant électroaimant exerçait un champ magnétique variable sur l'échantillon tandis que celui-ci était refroidi à une température proche du zéro absolu. Taillefer regardait l’aiguille d’un enregistreur à tracé continu qui affichait les changements de voltage dans la petite bobine de cuivre placée autour de l’échantillon. Si l’aiguille se déplaçait d'une certaine façon (avec des oscillations sinusoïdales) cela montrerait directement la quantification de l'énergie électronique issue du mouvement circulaire des électrons dans l’échantillon métallique. “C’était comme si les électrons étaient en train de nous parler,” se rappelle Taillefer. “Ah ça, pour la regarder, on l'a regardée cette aiguille !”

L’expérience a marché dès la première tentative, ce qui est rare dans le monde de la science expérimentale. Taillefer essayait de mesurer la masse des électrons dans une nouvelle classe de matériaux appelée « métaux à électrons lourds », un supraconducteur d’un type nouveau, dans lequel des interactions extrêmement fortes entre électrons causent une augmentation de la masse électronique, mais personne ne sait de combien. Le fait de voir l’oscillation quantifiée fournirait une mesure directe de cette masse. Le groupe de Cambridge était en compétition avec d’autres équipes en Europe et aux Etats-Unis qui essayaient eux aussi de voir ces effets. Tout le monde essayait (et essaye toujours) de comprendre ce qui se passe dans les métaux à électrons lourds  comme l’uranium-platine, et c’est ainsi qu’on assistait à une course aux résultats. 

Comme il s’avéra plus tard, le morceau de métal choisi parmi ceux issus de la cassure de la barre avait une orientation cristalline particulière  — les atomes formant la structure cristalline atomique du métal  — qui s’alignait parfaitement avec le champ magnétique. Quand Taillefer vit les premières bonnes séries d’oscillations sortant du traceur, il courut vers la salle de classe où son responsable de recherches, Gil Lonzarich, était en plein cours, y entra en coup de vent et hurla : « On a des oscillations ! » 

On venait d’assister à une conjonction d’au moins trois évènements heureux : l’uranium-platine fabriqué par Taillefer était d’une pureté exceptionnelle ; le nouveau réfrigérateur était disponible, et Taillefer avait placé par hasard le cristal à l'orientation idéale dans la machine. Il faudra attendre 10 ans avant qu’un autre laboratoire réussisse à reproduire les résultats obtenus par Taillefer lors de ce printemps chanceux de 1986. Quelques mois plus tard, Taillefer obtint son doctorat (PhD) à l’Université de Cambridge.

Le jeune scientifique ...

À l’âge de 16 ans, Louis Taillefer faisait partie des meilleurs élèves de son école secondaire à Montréal, mais il s’ennuyait en classe. À peu près à cette époque, il se lia d’amitié avec un fermier nommé Claude Côté. Le père de Taillefer avait une ferme amateur près de Valcourt, au Québec, et la ferme de Côté était juste à côté. Taillefer voyait Côté qui travaillait dans les champs et discutait avec lui par-dessus la barrière. “L’agriculture a commencé à me fasciner,” dit Taillefer. Il demanda a ses parents la permission de quitter l'école pour devenir fermier et travailler pour Claude. Sa mère lui dit : "Fais ce que ton coeur te dis de faire. Si cela signifie que tu dois quitter l'école pour devenir fermier alors fais-le.” 

 

Quand Taillefer arriva à la ferme de Côté, celui-ci lui demanda de labourer un champ. Taillefer n’avait absolument pas l’habitude de conduire un tracteur, c’était un garçon de la ville, arrivant directement de Montréal. “Je n’avais même jamais vu de vache de près,” dit-il. Mais Côté lui expliqua les rudiments des labours — commencer au milieu du champ, ne pas creuser trop profondément, ne pas conduire trop vite — puis lui dit, “Vas-y !”

Pour Taillefer, Côté, qui était alors âgé de 26 ans, était l’exemple parfait d’un homme sans limites, qui pouvait tout faire lui-même. Il était son propre vétérinaire, éleveur et mécanicien. Il entraînait aussi ses propres chevaux. Plus tard encore, il allait concevoir et construire une carriole et une maison de A à Z, coupant les arbres et sciant tout le bois lui-même. “Il m’a vraiment appris à avoir confiance en moi-même,” déclara Taillefer.

Assis en haut du tracteur, labourant les champs avec fierté, Taillefer se sentait bien. Mais un jour, le moteur commença à faire des bruits bizarres, et il ramena le tracteur à la grange. Il se sentait très coupable, car il pensait avoir détruit le tracteur. Cependant Côté ne se fâcha pas du tout, il se contenta de ramener le tracteur au garage, de démonter le moteur, d'aller dans une casse de voiture chercher un autre arbre à cames et de l’installer.

“Tout était possible pour Claude,” dit Taillefer. “Il m’a montré qu’une personne pouvait vraiment tout faire.”
Après avoir passé une année à la ferme, Taillefer commença à regretter l’école et il retourna à Montréal pour terminer ses études secondaires. ã ce moment il n’avait pas la moindre idée de ce qu’il voulait faire à l'université. Il pensait commencer par suivre des études de théâtre, dans la mesure où c’était ce qui l’intéressait le plus  au lycée. Bien qu’il soit francophone, Taillefer décida d'aller à McGill, l'Université Anglaise de Montréal, parce qu’il avait gagné une bourse d'entrée pour étudier l'ingénierie des mines. Sa mère lui dit : “Bien, au moins t’apprendras l’anglais.”
Même après avoir fini au sommet de sa classe et avoir gagné (ensemble avec son frère jumeau Éric) la médaille d’or Anne Molson pour le meilleur étudiant en math ou en physique de McGill, Taillefer n’était toujours pas sûr que la physique soit la bonne direction d’étude pour lui, mais il continua ses études comme tout le monde.
Il était inscrit à l’université de Harvard à Cambridge, dans le Massachusetts, mais gagna une bourse du Commonwealth pour aller étudier à l’université de Cambridge en Angleterre pendant un an. “J’en ai profité car je n’était jamais allé en Europe,”déclare Taillefer. À Cambridge il commença à travailler sur un projet, mais au bout de huit mois, ne voyant pas l’utilité de son travail, était prêt à abandonner ses études. Heureusement son directeur, Gil Lonzarich, lui donna un projet fascinant : une recherche sur la théorie du magnétisme, un sujet sur lequel le Professeur Lonzarich avait lui-même fait des recherches à ses heures perdues. Taillefer commença rapidement à être absorbé dans son nouveau travail et finit par appeler Harvard pour dire qu'il ne viendrait pas.
Le magnétisme fascinait Taillefer. Bien que les aimants nous entourent de tous côtes, il reste beaucoup à découvrir et expliquer au sujet de la physique du magnétisme. En se basant sur ses recherches de doctorat, Taillefer écrivit un article en 1985, afin de présenter une théorie qui permettait d’expliquer ce qu’on appelle la température critique des aimants — le point auquel le magnétisme disparaît dans un métal chauffé. C’était la première publication de Taillefer et c’est toujours l’un des articles les plus cités sur ce sujet.

La science