Explorer le monde des matériaux quantiques avec philosophie

Gregor Jotzu, qui a rejoint l’EPFL l’année dernière en tant que professeur assistant tenure track, dirige le Laboratoire des matériaux quantiques dynamiques de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL. Allemand d’origine roumaine, il a parcouru le monde en raison de ses activités universitaires et de recherche. Passionné d’aviron, il a ramé sur les eaux de Boston, Oxford, Hamburg et Zurich, et se retrouve aujourd’hui sur le lac Léman. À l’EPFL, il explore le monde complexe des phénomènes quantiques dans l’espoir de découvrir de nouvelles propriétés dans les matériaux hybrides qui sont une combinaison de matière et de lumière.

Gregor Jotzu a commencé son parcours universitaire à l’université d’Oxford. Il a ensuite décroché une bourse prestigieuse à l’université de Harvard en tant que boursier Michael von Clemm. Il a effectué son doctorat à l’ETH Zurich, s’intéressant au magnétisme quantique, à l’ordre induit par l’entraînement et à la topologie en utilisant des atomes ultrafroids dans des réseaux optiques. À Zurich, Gregor Jotzu a étudié les matériaux topologiques en créant un solide artificiel composé d’atomes maintenus en place par des lasers dans une chambre à vide. En agitant ce modèle agrandi d’un solide, il a pu observer l’évolution des propriétés du matériau en fonction de la topologie.

En 2015, cette contribution majeure d’un dispositif expérimental pour valider le modèle topologique de Duncan Haldane – un éminent physicien britannique travaillant à Princeton – a été récompensée par le Prix de physique générale de la Société suisse de physique. L'année suivante, alors que Gregor Jotzu présentait sa recherche dans le cadre de sa demande de bourse postdoctorale à l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) à Hambourg, la nouvelle de l'attribution du prix Nobel de physique à Duncan Haldane est tombée. Cette heureuse coïncidence est de bon augure pour le jeune chercheur, car ses travaux établissent une plateforme expérimentale pour tester le modèle de Duncan Haldane, désormais inscrit à jamais dans les couloirs de la science.

À Hambourg, Gregor Jotzu a mené des recherches sur les nouveaux états de la matière créés à l’aide de lasers ultrarapides. Il est guidé par une fascination pour la complexité de l’Univers. «Je pense que de nombreux jeunes physiciens et physiciennes veulent trouver la théorie du tout. Pour moi, ce fut un moment clé lorsque j’ai compris qu’il fallait résoudre un problème à plusieurs corps pour calculer les propriétés d’un seul proton», explique-t-il.

Cette prise de conscience a montré l’importance de l’interdépendance en physique. Les propriétés et les comportements des systèmes ne peuvent pas être simplement déduits en considérant chaque composant de manière isolée. Au contraire, ces systèmes nécessitent de comprendre les interactions complexes entre les nombreuses particules, d’où le problème à plusieurs corps. Ce premier moment de sa carrière l’a orienté vers la compréhension et le contrôle des propriétés émergentes dans les systèmes quantiques complexes.

Fasciné par l’interconnexion et l'étude de la relation entre l’extrêmement petit et les propriétés qui émergent à plus grande échelle, Gregor Jotzu attache une grande l’importance à sa connection à la nature pendant son temps libre. «L’aviron est un excellent moyen de faire corps avec la nature, car vous êtes sur l’eau et vous pouvez observer la ligne d’horizon. À Boston, il y avait les gratte-ciel, à Oxford, la campagne. Et à Lausanne, lorsque le soleil se lève tôt sur les montagnes, l’aviron sur le lac Léman peut tout simplement être magique», révèle-t-il.

Quand la physique pure rencontre l’ingénierie

À l’EPFL, Gregor Jotzu étudie de nouveau les moyens de contrôler les propriétés des matériaux en utilisant les interactions entre la lumière et la matière. Mais plutôt qu’un système modèle, il travaille maintenant avec de véritables matériaux et utilise la lumière laser pour les amener à de nouveaux états inexistants à l’état naturel. Son travail ne se limite pas à l’étude des matériaux, il les modifie activement en créant des états hybrides lumière-matière. Cette méthode lui permet d’observer la dynamique de ces systèmes complexes en temps réel et de comprendre la formation de nouveaux ordres et états.

Selon Gregor Jotzu, c’est là que la théorie et l’application se rejoignent, et que la physique pure rencontre l’ingénierie. Les connaissances acquises grâce à ces expériences peuvent aboutir au développement de nouveaux matériaux aux propriétés uniques. Par exemple, comprendre comment les matériaux passent d’un état à l’autre (comme d’un isolant à un conducteur) peut permettre la création de matériaux avancés pour l’électronique, la photonique ou les applications de stockage d’énergie. «Je cherche actuellement à faire fonctionner la supraconductivité à température ambiante à l’aide d’un laser», confie-t-il. Si elle aboutit, cette tentative pourrait tout simplement révolutionner la science des matériaux en particulier, et la technologie en général.

Un scientifique pour la société

En plus de ses recherches, Gregor Jotzu considère que l’on a un rôle public quand on exerce dans l’enseignement ou la recherche. «Je pense également qu’en tant que scientifiques, nous devons participer aux débats sur la manière d’organiser la société, parce qu’een fin de compte, il y a tellement de questions qui ont une composante technologique ou scientifique. C’est d’ailleurs la raison pour laquelle, avant mon doctorat, j’ai passé un an aux États-Unis à étudier l’histoire et la philosophie des sciences», dit-il. Cette conviction de l’importance d’un dialogue ouvert entre les scientifiques, les pouvoirs politiques et la société s’accompagne également d’une responsabilité pour la ou le scientifique, qui doit être en mesure de placer ses recherches dans le contexte approprié.

«Je pense que tout scientifique devrait avoir une formation de base en histoire et en philosophie, simplement pour pouvoir appréhender les choses sous un certain angle. Pour voir comment les gens ont réagi dans le passé à des choses conceptuellement très nouvelles», précise-t-il. Pour lui, l’électromagnétisme est un exemple éloquent. Au XIX^e siècle, c’était une nouvelle technologie; les gens pensaient qu’ils pourraient l’utiliser pour communiquer avec les morts et résoudre le problème insoluble du corps et de l’esprit. Gregor Jotzu considère que nous assistons actuellement à un phénomène similaire en physique quantique.

Il n’est donc pas étonnant qu’il soit passionné par l’enseignement, qu’il juge essentiel dans son rôle à l’EPFL. Il attend avec impatience le semestre d’automne 2024, au cours duquel il donnera un cours de master sur les matériaux quantiques. C’est là qu’il voit la valeur du cadre universitaire, par rapport à un institut de recherche, où il peut enseigner aux étudiantes et étudiants les principes fondamentaux, connus depuis un siècle, «tout en étant capable de leur donner une touche contemporaine», comme il l’indique.

Avant tout, il croit en l’importance de développer l’esprit critique des étudiantes et étudiants, en les encourageant à remettre en question et à comprendre les limites et les hypothèses des théories scientifiques. «Je pense qu’en tant qu’enseignant, vous avez la responsabilité de faire comprendre votre sujet, mais aussi de favoriser une certaine métacompréhension», indique-t-il. Selon lui, il est important de dire ceci aux étudiantes et étudiants: «Ok, je vous l’apprends aujourd’hui, mais ce n’est vrai que dans certaines limites, sous certaines hypothèses. Tout pourrait changer avec des différences d’échelle de temps ou de régime, comme avec la découverte de la supraconductivité à très basse température. C’est là que les choses les plus intéressantes et les plus inattendues peuvent se produire.»

Le début de carrière de Gregor Jotzu a déjà été caractérisé par un engagement profond à comprendre le monde quantique. À la frontière entre la science pure et l’application, Gregor Jotzu continuera, à Lausanne, à repousser les limites de l’Univers connu, animé par la curiosité insatiable du scientifique, du philosophe et de l’explorateur.