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Silke Biermann, lauréate de la médaille d’argent du CNRS

Présidente du département de physique de l’X et de celui de l’Institut Polytechnique de Paris, Silke Biermann est distinguée cette année par la médaille d’argent du CNRS. Ce prix récompense ses travaux en physique théorique, visant notamment à comprendre l’interaction des électrons dans les matériaux innovants.

Affiliée au Centre de physique théorique*, Silke Biermann est une physicienne théoricienne reconnue par ses pairs pour l’influence de ses travaux de recherche dans le domaine des matériaux à corrélations électroniques fortes. Sa carrière lui vaut aujourd’hui l’honneur de recevoir la médaille d’argent du CNRS qui distingue des chercheurs et des chercheuses pour l’originalité, la qualité et l’importance de leurs travaux, reconnus sur le plan national et international.

Parallèlement à ses recherches, Silke Biermann est engagée au sein de l’École polytechnique pour promouvoir la physique par l’enseignement au sein du département de physique dont elle est présidente, ainsi que par la recherche grâce au département de physique de l’Institut Polytechnique de Paris qu’elle anime. Silke Biermann a reçu une bourse européenne ERC consolidator en 2014 et le prix Paul Langevin de la Société Française de Physique en 2016. Depuis 2019, elle a été nommée professeur de classe exceptionnelle à l’École polytechnique où elle enseigne depuis 2003.

Découvrez les recherches de Silke Biermann dans une tribune réactualisée, réalisée initialement à l’occasion du rapport annuel 2018 de l’École polytechnique :

Silke Biermann : Quand les électrons s’emmêlent

Aimants permanents pour les moteurs de voitures électriques ou dans les éoliennes, matériaux pour des batteries à mêmes de stocker la production énergétique d’une ferme photovoltaïque, les défis en sciences des matériaux au service des innovations technologiques sont omniprésents autour de nous. Pouvons-nous prédire les propriétés des matériaux par des considérations théoriques, complémentées par des calculs numériques ?

C'est là qu'interviennent les théoriciens de la matière condensée du Centre de physique théorique. Le développement d'approches numériques pour calculer les propriétés des matériaux "ab initio", c'est-à-dire sans paramètres ajustables, était au coeur du projet « Predictive electronic structure calculations for materials with strong electronic correlations : Long-range Coulomb interactions and quantum dynamical screening » porté par S. Biermann et financé par le European Research Council.

La tâche n'est pas triviale. Les propriétés des matériaux sont le résultat d'une conspiration subtile de leurs constituants, noyaux et électrons. Comprendre leurs propriétés magnétiques, optiques ou de conduction revient à résoudre les équations de la mécanique quantique qui gouvernent le comportement des électrons à l'échelle microscopique. Or, loin d'être individualistes, les électrons interagissent en général fortement les uns avec les autres. Nous avons donc affaire à ce que les physiciens appellent un immense "problème à N corps quantiques". Pour ne rien arranger, les composés les plus intéressants sont ceux qui sont le plus en proie à ces effets collectifs complexes. Ces matériaux sont dits "corrélés", car le comportement d'un électron est dépendant de celui de tous les autres.

Plus spécifiquement, les théoriciens du Centre de physique théorique se sont récemment intéressés au caractère retardé de la répulsion électrostatique entre les électrons. En effet, lorsqu'on ajoute une charge dans un solide, les électrons se réorganisent afin d'obtenir une position plus stable. Cette réorganisation réduit la répulsion entre deux charges, mais n'est pas instantanée. Ainsi, si un électron se déplace au sein du solide, il sera suivi par une sorte de nuage de charge permettant de réduire sa charge effective mais deviendra plus "lourd". Si l'on veut prédire et comprendre précisément les propriétés des matériaux corrélés, il paraît nécessaire de prendre en compte cet "écrantage dynamique" grâce à des méthodes développées très récemment au Centre de physique théorique.

Ses théoriciens ont réalisé des simulations numériques pour des matériaux spécifiques, et, Ô joie ! leurs résultats sont en accord avec les données expérimentales ! Ce résultat constitue une étape très prometteuse sur le chemin du calcul ab initio.

À l'horizon se dessine la perspective de pouvoir un jour faire de l'alchimie sur ordinateur, même dans le cas le plus difficile, celui des matériaux corrélés.

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*CPHT : une unité mixte du CNRS et de l’École polytechnique/Institut Polytechnique de Paris.