PIERRE GILLES DE GENNES

PIERRE GILLES DE GENNES

Jacques Friedel

Le portrait que trace ici le professeur Jacques Friedel de son ami Pierre Gilles de Gennes n'est pas celui de l'homme dans ses multiples qualités etfacettes, mais celui du savant.

Quellesfurent sa démarche et son action dans le domaine de la physique?Jacques Friedel a choisi de répondre

à

ces questions en entraînant le lecteur sur le terrain, souvent difficile, de la recherche scientifique. Une approche qui met en lumière l'originalité des travaux de Pierre Gilles de Gennes.

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l'est pour moi un trés grand plaisir de présenter aux lecteurs de la Revue des Deux Mondes le dernier Prix Nobel de physique. Les raisons en sont nombreuses :il est bien sûr français, nous avons travaillé ensemble et c'est un ami. Mais, plus profondément, ce prix célèbre reconnaît, aujourd'hui, le succès remarquable d'une pensée originale et l'ouverture de nouvelles voies pour le progrès scientifique.

Pierre Gilles de Gennes est né àParis en 1932, dans une famille protestante douée d'une forte tradition médicale. Une grave maladie l'a amené à passer avec sa mère une partie de sa jeunesse, et

notamment pendant la guerre, dans un petit village des Alpes. Ceci ne freine pas son entrée à l'Ecole normale supérieure de la rue d'Ulm, par une voie qui conduit normalementàl'étude des sciences naturelles. Un début peu orthodoxe pour un futur physicien, ce qui ne l'empêcha pas de passer brillamment l'agrégation de physique, durant son séjour à l'Ecole, et de débuter dans la recherche, au département de physique fondamentale nouvellement créé au Commissariat à l'énergie atomique, à Saclay, sous la houlette un peu lointaine d'Yvon, un thermodynamicien fort timide, mais bien connu.

Une preuve éclatante qu'une éducation sans forte spécialisation n'est pas nuisible aux bons élèves. Mais cette formation première explique l'intérêt constant de P. G. de Gennes pour la chimie et la biologie. Cette tendance fut renforcée par l'influence d'Edmond Bauer, professeur de chimie-physique de renom, aux qualités exceptionnelles d'ensei- gnant et d'humaniste, qui le persuada de faire de la recherche.

L

ors de notre première rencontre, Pierre Gilles de Gennes préparait une thèse théorique sur la diffusion des neutrons par les corps magnétiques, au voisinage des températures

«critiques» où l'ordre magnétique se détruit par désordre thermique.

Ce sujet s'inscrivait dans un programme important du département de physique fondamentale, qui possédait alors le seul réacteur à neutrons français dédié à la recherche. La recherche en magnétisme est, en France, une grande tradition depuis les travaux de Pierre Curie, Paul Langevin, Pierre Weiss et Léon Brillouin ; et le domaine florissait en France après la dernière guerre, stimulé par la forte personnalité de Louis Néel, autre Prix Nobel français. Le sujet de thèse de P. G. de Gennes était abordé d'un point de vue expérimental dans son département. Il est naturel de vouloir utiliser les neutrons pour étudier la structure du magnétisme. Du fait de leur absence de charge électrique, les neutrons traversent, en effet, facilement les solides. Ils sont, néanmoins, légèrement déviés de leurs trajectoires par le magnétisme de ces corps, qu'ils explorentà l'échelle atomique comme le feraient des aimants microscopiques. Aux températures voisines de la température critique, l'aimantation des corps n'est ni parfaitement ordonnée, ni parfaitement désordonnée. Elle présente un«ordre local» qui décroît quand la distance entre les deux points

mesurés augmente. P. G. de Gennes supposait, ce qui était réaliste, les neutrons faiblement sensiblesàce magnétisme, il appliquait une analyse de 1'« ordre local» développée peu de temps auparavant par le physicien belge Léon van Hove. Ce travail précédait de près de vingt ans une description plus correcte de cet ordre local que devait obtenir Wilson, autre Prix Nobel. Mais c'était un travail utile, valable dès qu'on s'éloigne un peu de la température critique. Je crois que de Gennes conduisit ce travail tout seul, sans intervention d'un «patron de thèse »,au sens classique du terme.

A cette époque, je venaisàSaclay comme consultant et je pris l'habitude de passer voir P. G. de Gennes chaque semaine. C'était clairement quelqu'un de très dynamique, intéressé par de nom- breuses questions de physique des solides. Ainsi, étudiant le désordre atomique des alliages par analogie avec le désordre magnétique, il commença às'intéresseràla«percolation »,domaine que ses élèves et lui devaient reprendre bien plus tard : si, sur les sites d'un cristal, on répartit au hasard des atomes blancs et rouges, quelle est la concentration minimale d'atomes rouges pour qu'on puisse traverser tout le cristal le long d'une ligne rouge, faite d'atomes rouges voisins les uns des autres? Cette question schématisait celle de la percolation de l'eau à travers une poudre tassée. De Gennes demande àun mathématicien du Commissariat àl'énergie atomique de la résoudre numériquement.

Un jour, je mentionnai que la faible résistivité électrique mesu- rée dans les métaux des terres rares, notamment par le physicien français FélixTrombe, m'avait convaincu que les électrons responsa- bles du courant électrique n'étaient que faiblement déviés par le magnétisme des atomes de terre rare. De Gennes pourrait-il étendre aux électrons son analyse de la diffusion des neutrons? Quelques semaines après, mon jeune ami me présente un article sur cette question qu'il me demande poliment de cosigner. Peu de temps après, il déduit du même modèle l'interactionàdistance de deux atomes de terres rares dans un métal. Le calcul met en jeu les déviations successives d'un même électron sur les deux atomes. Il étend ainsià l'aimantation électronique de ces atomes un calcul fait peu de temps auparavant par Ruderman et Kittel pour l'aimantation des noyaux atomiques. Ce calcul rappelle celui fait précédemment par P. G. de Gennes pour Anatole Abragam, et qui portait sur l'interaction à

distance de deux noyaux dans un isolant. Lesuccès de ce travail parmi les spécialistes venait de ce que, pour la première fois, on savait calculer de façon simple et convaincante les interactions responsables de l'ordre magnétique dans un métal, et leur variation systématique à travers la^«série des terres rares» du tableau périodique des éléments.

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e Gennes passe ensuite plus de deux ans au service militaire dans la Marine - c'est la guerre d'Algérie -, et après ses classes à Brest, une affectation scientifique facilitée par la présence à l'Ecole normale supérieure de M. Rocard père l'envoie au Sahara mesurer les effets des premières explosions nucléaires françaises ... Il est ensuite invité, à ma suggestion, par Charlie Kittel, pour un séjour postdoctoral à Berkeley, où il produit d'autres travaux sur le magnétisme des composés de terres rares.

Il est alors un des meilleurs théoriciens du magnétisme à l'échelle atomique et subatomique, notamment dans les métaux. Cette échelle, où les électrons doivent être traités avec la rigueur et les complications de la mécanique quantique, était délaissée par Louis Néel. Celui-ci s'intéressait davantage aux aspects du magnétisme encore à petite échelle, mais qu'on appellerait maintenant«mésosco- pique»,grande vis-à-vis des tailles atomiques, ce qui permet d'utiliser des modèles simples et phénoménologiques. Peu après son retour à Saclay, Anatole Abragam me téléphone à propos d'un poste de ce qu'on appelait alors une^«maîtrise de conférences», le premier stade dans la carrière professorale, qui venait de s'ouvrir au Centre universi- taire d'Orsay. Je venais moi-même de m'installer dans cette nouvelle université en puissance, à la fin des années cinquante; nous décidons de présenter Pierre Gilles, et il obtient le poste de justesse, dans une compétition cornélienne qui l'oppose à son camarade de promotion et ami Philippe Nozières, un autre physicien de grand renom mainte- nant. Ce tournant va ouvrir sur dix années d'efforts communs, avec André Guinier, Raymond Castaing et un nombre rapidement croissant de jeunes collaborateurs, pour construire à Orsay un des centres les plus vivants de l'époque en physique des solides.

La contribution de P. G. de Gennes fut alors essentielle. Il me convainquit d'abord que nous devions développer nos capacités expérimentales dans le secteur des électrons dans les solides. Puis,

très rapidement, il quitta le magnétisme des terres rares pour la supraconductivité, ce phénomène surprenant par lequel la résistivité de certains métaux disparaît au-dessous d'une certaine température.

De façon très caractéristique, son groupe et lui ne travaillèrent pas, comme alors la plupart des chercheurs, sur les aspects microsco- piques et fondamentaux du phénomène. Ils s'attachèrent plutôt à en étudier les variations possibles dans l'espace. Ainsi, dans toute une catégorie de supraconducteurs qu'on appelle de « seconde espèce »,un champ magnétique assez fort peut pénétrer le long de lignes caractéristiques, sans tuer néanmoins la supraconductivité entre les lignes, si ce champ n'est pas trop fort. Le groupe d'Orsay a beaucoup étudié ces lignes, leur structure fine, leurs interactions, les réseaux réguliers qu'elles peuvent former et leurs mouvements quand on varie le champ magnétique. Près d'une surface libre, la supraconductivité peut aussi subsister au-delà du champ qui l'annule en volume. Près du contact avec un autre métal, un supraconducteur peut y induire localement une supraconductivité, dont le comporte- ment sous champ magnétique a des caractéristiques particulières.

Enfin par contact à travers une couche assez mince d'un isolant tel qu'un oxyde, le supraconducteur peut « communiquer »avec un autre métal en échangeant des électrons par effet«tunnel »,sans dépense d'énergie. Les travaux du«groupe d'Orsay», avecC.Caroli, ]. Matricon, ].-P. Burger, E. Guyon, G. Deutscher et bien d'autres, avec le travail théorique et expérimental que de Gennes a inspiré dans son ancien laboratoire de Saclay, son enseignement et finalement son livre, dominent ce domaine. Son approche s'inspire plus de celle des équipes russes, avec Landau, Ginzburg et Abrikosov, que de celle des Américains comme Bardeen, Cooper et Schrieffer qui avaient découvert le mécanisme microscopique.

D'un point de vue plus général, ellerappelle l'approche mésoscopique de1.Néel en magnétisme ou aussi le type d'approche qui avait été développée dix ans plus tôt, dans le contexte des dislocations, pour analyser la plasticité des cristaux.

A

la fin des années soixante, P. G. de Gennes a un peu épuisé l'originalité de son approche; il cherche autre chose. Il joue avec les idées de la physique des particules, active

àOrsayàcette époque, et avec la biologie, un domaine qui devenait à la mode chez certains physiciens. Il suit des cours à l'Institut Pasteur; nous entrons en contact avec l'Institut de biophysique que Charles Sadron avait développé à Strasbourg et amenait alors à Orléans. Pierre Gilles s'intéresse au repliement en «pelotes » des molécules àlongue chaîne polymère ou ADN.

Mais Georges Durand, un jeune polytechnicien travaillant dans un laboratoire voisin, revient àce moment d'un séjour postdoctoral à Harvard avec le (futur) Prix Nobel N. Bloembergen. Il y avait fait des études optiques sur des «cristaux liquides», ces phases liquides anisotropes que l'on observe entre les phases cristalline et liquide isotrope pour certaines molécules organiques allongées ou aplaties.

C'était l'époque où l'industrie commençait à explorer l'utilisation éventuelle de ces corps pour l'affichage : dans ces phases peu stables, de petites perturbations peuvent produire de fortes distor- sions; et les dimensions caractéristiques de celles-ci sont compa- rables aux longueurs d'onde de la lumière, ce qui les rend facilement visibles. G. Durand convainquit facilement P. G. de Gennes de l'intérêt de telles recherches et vint diriger un des groupes expérimentaux, tandis qu'un certain nombre de théoriciens et d'expérimentateurs suivirent P. G. de Gennes dans cette nouvelle aventure, à Orsay, à Saclay et en d'autres endroits, ainsi que nombre de ses visiteurs étrangers. P. G. de Gennes comprit rapidement que, dans ce domaine également, les études à l'échelle mésoscopique étaient essentielles, et que bien des aspects pouvaient s'analyser comme dans les supraconducteurs de seconde espèce. Une équation d'onde décrit de nouveau les distorsions de l'ordre; des défauts linéaires rappellent les lignes singulières des supraconducteurs; les conditions aux surfaces et le rôle des champs appliqués sont essentiels. Finalement l'étude et l'analyse par les moyens optiques de l'ordre local des cristaux liquides près d'une température critique sont, d'une certaine façon, une extension directe des diffusions des électrons ou des neutrons par l'ordre local magnétique, que P. G.

de Gennes avait étudiées àSaclay.

Un atout dans cette nouvelle aventure était la réunion autour d'un foyer central d'un large spectre de capacités théoriques et expérimentales. Le livre qui en résultera sur les«cristaux liquides »

reste la référence centrale d'un domaine ouvert par Lehman,

Granjean et mon grand-père G. Friedel dans le premier quart de ce siècle, mais qui s'était endormi pendant presque cinquante ans.

Il est clair maintenant que ces travaux sur les cristaux liquides apportent une nouvelle manière de considérer un certain nombre de phénomènes biologiques, à une échelle qui n'est pas celle de la molécule ni de l'organe, mais intermédiaire. Ainsi les repliements périodiques ou les assemblages observés pour bien des molécules biologiques, en allant de certains ADN de chromosomes aux membranes ou aux muscles, ou encore les alignements des cellules de la peau de certains insectes trouvent des interprétations transparentes dans les propriétés des cristaux liquides. Mais, jusqu'ici, P. G. de Gennes a évité ces domaines. Ses intérêts plus récents se sont plutôt développés dans des directions qui peuvent être considérées comme des développements industriels de ses travaux précédents.

Deux thèmes majeurs dominent. L'un concerne la création dans les liquides de mouvements tourbillonnaires: c'est ce que l'on appelle les instabilités hydrodynamiques. Son intérêt dans ce domaine a débuté avec les expériences de son élève E. Guyon à Orsay : en chauffant un cristal liquide par le bas, ou encore en lui appliquant un champ électrique suffisant qui électrolyse ses impuretés, on observe des tourbillons caractéristiques, étudiés pour la première fois par Bénard au début du siècle sur des liquides normaux. Ce travail et celui ultérieur de Rondelez, avec leurs interprétations théoriquesàOrsay, furent parmi les premières études qui conduisirent à l'utilisation pratique des cristaux liquides dans des procédés d'affichage, dans les montres par exemple. On utilise ici le fait que l'apparition des tourbillons modifie l'aspect du cristal liquide. Des travaux ultérieurs initiés par de Gennes concernent les instabilités hydrodynamiques observées lors du mouillage: si l'on répand un liquide sur la surface plate d'un solide, le profil que peut prendre le front du liquide dépend d'une façon subtile et compliquée de l'adhérence du liquide sur le solide, de sa viscosité et de sa vitesse.

D'une façon plus générale, on peut dire que les mécaniciens des fluides étudient depuis belle lurette leur comportement tourbillon- naire, tant par le calcul que par des mesures physiques globales, que ce soit pour le vol des avions, pour l'avancée des navires, ou pour les écoulements dans les tuyaux et les turbines. Ce qu'ont

apporté les physiciens dans ce domaine, c'est de mettre le doigt de façon expérimentale sur les divers facteurs d'instabilité possibles et d'étudier leur développement en détail, dans des conditions simples, par des méthodes physiques, notamment optiques. Cette petite

«révolution» du sujet est en partie issue des études sur les cristaux liquides, avec une contribution essentielle autour de P. G. de Gennes.

L'autre développement, peut-être plus important, concerne le retour de P. G. de Gennes aux études sur les polymères. Ce dont il s'agit, c'est essentiellement de la façon dont des molécules organiques en longues chaînes se replient et s'interpénètrent plus ou moins au hasard, comment ces repliements diffèrent d'une marche au hasard du fait que les bouts de chaînes repliés s'évitent, quel rôle joue le solvant, comment tout cela évolue quand on tire ou presse la solution, quel est aussi l'effet exact des branchements des chaînes produits dans les caoutchoucs ou celui des ions dans les polymères chargés? Dans un domaine où les idées de base avaient été jetées par Flory, P. G. de Gennes a introduit une compréhension plus claire des différentes situations qui se présentent en fonction de la concentration des molécules polymériques, de leurs formes, de leurs liaisons. Avec Sam Edwards, un physicien britannique, il fut le premier à parler de «reptation ^»pour décrire la façon dont une chaîne peut sortir, sans la déplacer, de la cage formée par ses voisins. AvecH. Benoit de Strasbourg et janninck de Saclay, il fut, pendant de nombreuses années, l'animateur des recherches françaises dans ce domaine, notamment en suivant, par la diffusion des neutrons, le déplacement de molécules marquées isotopiquement. Il semble maintenant bien établi que la reptation constitue un concept important dans de nombreuses situations expérimentales, même si une description plus fine doit prendre en compte la déformation de la«cage »et aussi le rôle possible d'un ordre à courte distance des molécules. Plus récemment, P. G. de Gennes a mis davantage l'accent sur le rôle des surfaces : propagation de fissures plastiques dans les polymères, rôle d'une surface solide sur le désordre à son voisinage des chaînes polymériques, mode d'action des colles polymériques... Ici aussi, un livre sur les polymères a marqué ses nouvelles activités, qui ont pris place depuis le début des années soixante-dix à Paris, dans son laboratoire du Collège de France, où il est professeur de physique