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Recherche fondamentale et haute technologie : la spectroscopie théorique des matériaux. Entretien avec Xavier Gonze

Des avancées scientifiques à partager pour faire de la « bonne » science et répondre aux enjeux sociétaux.

Professeur ordinaire à l’Université catholique de Louvain, Xavier Gonze s’est taillé une belle et précoce notoriété scientifique, bien au-delà de nos frontières, en faisant œuvre de pionnier dans son domaine de prédilection, la spectroscopie théorique. Ses travaux portent sur la simulation des propriétés des matériaux à l’échelle atomique en se fondant sur les « premiers principes » de la physique : mécanique quantique et électro-magnétisme. Cette approche pour étudier l'interaction de la lumière et des champs électromagnétiques avec des systèmes complexes tels que matériaux cristallins, molécules ou structures nanoscopiques constitue une nouvelle discipline, la spectroscopie théorique des matériaux, à laquelle Xavier Gonze aura contribué substantiellement depuis plus de vingt ans. À la lisière de plusieurs champs disciplinaires – physique, chimie, mathématiques et informatique – ses recherches l’ont conduit à des avancées scientifiques, à plusieurs articles marquants dans les revues scientifiques internationales de tout premier plan et à la création du premier logiciel libre de calcul des propriétés de matériaux basé sur les premiers principes. En 2008, il a fondé, avec quelques pairs éminents, une infrastructure internationale virtuelle en spectroscopie théorique visant à mettre en relation chercheurs et expérimentateurs. Ses contributions scientifiques (dont les applications concernent la nanoélectronique, le photovoltaïque, l’optique, la luminescence) et son esprit d’ouverture pour partager et diffuser les avancées de la science dans son domaine lui ont valu d’être élu « fellow » de l’« American Physical Society », de recevoir le Prix Wernaers pour la recherche et la diffusion des connaissances et le prestigieux Prix quinquennal (2006-2010) pour les sciences exactes appliquées, du F.R.S.-FNRS.

En 2011, c’est l’Académie royale qui lui fait honneur, en l’élisant membre de sa Classe des Sciences et en l’invitant à coordonner un cycle de cours du Collège Belgique, « Zoom sur le nano ! ». Il y donnera deux leçons, avec ses collègues Charlier et Ghosez, sur la complexité et la richesse nanoscopique.

Rencontre avec un académique, à l’enthousiasme et l’allure juvénile, affable et serein, pédagogue dans l’âme (l’interviewé fait place spontanément au professeur au moindre doute de ne pas avoir été clair ou compris), convaincu de l’impérieuse nécessité de se frotter à l’altérité, à ses pairs d’ici et d’ailleurs, au monde de l’entreprise, pour imposer et sauvegarder la recherche universitaire et d’excellence.


Xavier Gonze, au commencement il y a les mathématiques…

Oui, né, il est vrai, dans un milieu d’ingénieurs, je pimente ma vie de collégien en jouant aux échecs et en étudiant le piano. En rhétorique, je prépare l’examen d’entrée pour la filière « ingénieur civil » et mon professeur, Fernand Labeye, remarque mon « excellence », oserais-je dire, en mathématiques. Il m’encourage à participer aux Olympiades belges francophones de mathématiques, où je décroche le 1er Prix, et aux Olympiades internationales, avec sept autres sélectionnés belges, et j’y remporte un 3e Prix.

Je m’inscris en sciences appliquées à l’Université catholique de Louvain et au bout de deux ans, j’ai envie d’ajouter une autre corde à mon arc, en mathématique ou en physique. C’est finalement cette dernière discipline qui emporte mes dernières hésitations. Je mènerai de front la fin des études d’ingénieur civil et une licence en physique, et serai diplômé des deux cursus, avec un an de décalage, respectivement en 1984 et 1985.

Je reviens en Faculté polytechnique pour mon doctorat (1986-1990) que je consacre, sous la direction du Professeur Jean-Pierre Michenaud, au calcul d'après les premiers principes et à l’étude des propriétés de matériaux semi-métalliques au niveau atomique. C’est l’époque des premiers balbutiements de la recherche « nano » (les nanotubes seront découverts en 1991 et les fullerènes, ces molécules composées de carbone, l'avaient été quelques années plus tôt, en 1985, grâce aux travaux de Harold Kroto, Robert Curl et Richard Smalley).

Moment clé dans votre parcours, avec une thèse, un séjour post-doc aux États-Unis et de belles rencontres qui influent sur la tournure de votre parcours !

Au cours de mon doctorat, j’avais pu bénéficier des conseils du Professeur Jean-Pol Vigneron, des Facultés universitaires Notre-Dame de la Paix à Namur, pour la réalisation d’un logiciel de calcul des propriétés des matériaux. Lorsque je m’embarque, pour un séjour postdoctoral de vingt sept mois à la Cornell University (États-Unis), pour travailler avec Mike Teter et Douglas Allan, qui avaient conçu un logiciel similaire, mais plus avancé, j'étais déjà très bien préparé.

Mes recherches à Cornell visaient à mettre au point, au sein de leur logiciel, le calcul des propriétés vibrationnelles et diélectriques des matériaux.

Or les développements de Mike Teter et Douglas Allan devaient être commercialisés par une firme privée, Biosym, avec cession des droits d'exploitation. En 1994, deux ans après mon retour en Belgique, où j’ai obtenu un mandat de chercheur qualifié au F.R.S.-FNRS, je suis informé que Biosym avait fusionné avec une autre firme détentrice d’un logiciel concurrent. In fine, le logiciel de Douglas Allan sera abandonné au profit de l’autre. Je décide alors de relancer un projet autour du logiciel de mon collègue américain et obtiens son accord. Avec mon équipe de l’UCL, j’y travaille pendant trois ans et ces efforts aboutiront à la création, en 2000, du premier logiciel libre de calcul des propriétés de matériaux d'après les premiers principes, « ABINIT ».

De nombreux scientifiques l'utilisent alors, et se joignent au projet, parce que je ne suis plus un inconnu à cette date. Mes travaux sur les pseudopotentiels (qui ont pris corps suite à une autre rencontre, celle du Professeur Matthias Scheffler, à Berlin, et sur laquelle je reviendrai infra) et sur les propriétés diélectriques, des publications qui bénéficient de nombreuses citations, un article dans « Nature » sur les matériaux carbonés et un autre sur le potentiel d'« échange – corrélation » me valent déjà une certaine réputation qui contribuera à la bonne réception d’ABINIT.

Depuis lors, le centre de coordination du développement d'ABINIT est localisé à l’UCL, ainsi que le site Web et une série de machines visant à tester le logiciel. Y sont également centralisées toutes les contributions de nombreux développeurs externes à l'UCL. Nous organisons, tous les deux ans, des workshops et conférences qui rassemblent les spécialistes et délivrons une nouvelle version du logiciel tous les trimestres.

Nous pouvons mesurer concrètement le succès de notre entreprise : plusieurs articles dont le premier, paru en 2002, est cité 1200 fois, un forum Web attirant 600 personnes et une liste de distribution électronique de 1400 adresses.

ABINIT conforte votre inclination pour le maillage, la mise en relation des acteurs de la recherche, du développement et de l’expérimentation et pour le partage des connaissances. Il vous conduit aussi à de nouvelles reconnaissances.

Oui en 2007, l’« American Physical Society » m’élit « fellow » en fondant cette sélection, plutôt rare pour des non-Américains, sur les arguments suivants : « for contributions to density-functional perturbation theory & its application to dielectric properties, and for leadership in open-source development for the electronic structure community ». Un an plus tard, c’est le F.R.S.-FNRS qui m’attribue, ainsi qu’à mon collègue Jean-Christophe Charlier, le Prix Wernaers pour la recherche et la diffusion des connaissances. ABINIT est en effet utilisé dans nos cours de simulation de matériaux à l’UCL et dans d’autres institutions d’enseignement.

De plus, j’étais membre, depuis 2004, d’un réseau européen de spécialistes de calcul d'après les premiers principes. L’idée s’est imposée à nous de soumettre un projet de réseau d’excellence à la Commission européenne, avec pour objectif de créer une infrastructure de recherche théorique. Nous entendions mettre au point procédures et méthodes pour faciliter le dialogue entre théoriciens et expérimentateurs et donner tout son sens de « facilitator » à cette infrastructure virtuelle. Je préside cette « European Theoretical Spectroscopy Facility (ETSF) », mise en œuvre en 2008, qui regroupe aujourd’hui plus de 200 chercheurs et organise des conférences, des formations et des Écoles d’été spécifiques pour doctorants.

2008 est aussi l’année de votre accession à l’ordinariat dans votre cursus académique. Nous avons déroulé, au pas de charge, le fil de votre carrière. Il est temps de retracer brièvement l’historique de vos recherches, en soulignant les jalons les plus importants.

La majeure partie de celles-ci mettent en jeu la théorie de la fonctionnelle de la densité – density functional theory (DFT) –. La DFT est l’une des méthodes les plus utilisées à ce jour pour les calculs quantiques de la structure électronique de la matière. À partir de 1989, j’ai travaillé sur le calcul des propriétés vibrationnelles et diélectriques au cœur de la spectroscopie théorique, sur la base de la DFT. Dans un article co-écrit avec Jean-Pol Vigneron, j'ai notamment proposé un théorème permettant le calcul des réponses non-linéaires des matériaux à des perturbations génériques (telles que champ électrique, déplacements atomiques, changement de paramètres de réseau). À la suite de l’Italien Stefano Baroni qui a développé initialement une partie du formalisme, j’ai établi un formalisme complet pour la théorie de la fonctionnelle de la densité en perturbation. Ma contribution combinait, grâce au principe variationel, la théorie de la fonctionnelle de la densité avec la théorie des perturbations. Avec mes collaborateurs, j’ai poursuivi cette ligne de recherche jusqu’à aujourd’hui. Récemment, cette théorie a été appliquée à la méthodologie des ondes planes augmentées de projecteurs, au calcul des intensités Raman et à l’application à divers matériaux composés d'atomes lourds, tels le Bismuth et le Plomb.

D'autres avancées théoriques importantes datent de cette période doctorale et post-doctorale. Ainsi, une publication de 1990 portait sur l’identification d’une pathologie majeure qui affectait l’utilisation de pseudopotentiels séparables. L’étude des atomes à l’intérieur de solides révèle la formation de liaisons chimiques. Or une série d’électrons, dits « de cœur » ne participent pas à la formation de ces liaisons et sont donc sans intérêt pour la connaissance de nombreuses propriétés de matériaux. Afin de ne pas devoir les représenter lors des simulations sur ordinateur, on remplace le potentiel atomique par un objet mathématique appelé pseudopotentiel. Toutefois, les premiers calculs basés sur des pseudopotentiels séparables, les plus efficaces pour calcul sur ordinateur, ne donnaient pas toujours des résultats corrects. J'ai résolu ce problème en identifiant des « états fantômes » qui interféraient dans la procédure et produisaient des pseudopotentiels incorrects. J’ai pu dresser une table de pseudopotentiels sans « états fantômes » et la mettre à disposition de mes pairs. Cette recherche avait été effectuée en collaboration avec Matthias Scheffler, lors de brefs séjours au Fritz Haber Institute de Berlin, qui fait partie de la Max-Planck Society.

Lors de mon séjour à Cornell University en 1990-1992, je m’étais aussi intéressé à la simulation du C60, le premier fullerène découvert, en imaginant d’autres sortes de matériaux carbonés. J’ai été le premier à étudier l’énergétique des réseaux graphitiques de courbure négative. Il s’agissait, par analogie avec les réseaux carbonés de courbure positive, de poser l’hypothèse que la courbure négative (ne pas refermer les fullerènes sur eux-mêmes) pouvait être possible dans les feuillets de graphène. Nos calculs de l’énergie et la modélisation de plusieurs sortes de réseaux de courbure négative indiquaient que ceux-ci, bien que moins stables que les graphites, pouvaient être plus stables que le C60. Ce travail, mené avec des collègues de Cornell, a abouti à sa publication dans « Nature » en 1992 et a fait la page de couverture de cette prestigieuse revue ! Il a permis de progresser dans la compréhension de la structure de certaines mousses de carbone.

En 1995, nous publions, P. Ghosez, R. Godby et moi-même, un article qui crée l’émoi dans la communauté scientifique, car il arrive à la conclusion que la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) est incomplète quand elle est appliquée à la réponse de solides périodiques à un champ électrique homogène. Nous démontrons que, dans ce cas, il y a une variable fondamentale oubliée dans la DFT, la polarisation électrique, qui joue un rôle crucial pour l'obtention des propriétés diélectriques des solides. Si notre travail suscite des réactions vives, c’est à cause de l'importance de la DFT. Celle-ci a valu par la suite le Nobel de chimie à Walter Kohn en 1998 ! Nos conclusions ne remettent nullement en cause ses découvertes. Elles circonscrivent une faille, une pathologie pour les seules propriétés diélectriques. En 1997, lors de la présentation de mes résultats à un symposium de l’« American Physical Society », W. Kohn a d’ailleurs eu l’occasion de commenter longuement ceux-ci.

L’obtention d’une bourse de la Fondation Von Humboldt me donnera l’occasion de repartir à Berlin pour une année de recherche au Fritz Haber Institute de Berlin en 1998-99 et reprendre mes discussions avec Matthias Scheffler. J’ai également travaillé sur les matériaux ferro-électriques et sur l'interaction entre vibrations et réponses électriques des matériaux. La suite est principalement liée au développement d'ABINIT.

Quels sont vos axes de recherche actuels ?

Mes investigations récentes m’ont aiguillé vers le photovoltaïque et la luminescence.

En ce qui concerne les matériaux pour applications photovoltaïques, un des enjeux majeurs actuels concerne les matériaux conducteurs transparents (des métaux qui laissent passer la lumière), utilisés sur la face avant des cellules solaires. L'oxyde d’indium dopé à l’étain est souvent utilisé, mais la production mondiale d’indium étant très faible et peu susceptible de croître, de nombreux chercheurs étudient des alternatives. Aujourd’hui, ce sont les oxydes de zinc et d’étain, dopés, qui retiennent souvent l'attention. Ces recherches pour comprendre et identifier des nouveaux oxydes transparents conducteurs suscitent un très grand attrait dans la communauté scientifique internationale. Nous les menons au niveau théorique dans mon laboratoire.

L’autre volet de nos travaux actuels concerne l’étude de matériaux pour la luminescence, la transformation de courant électrique en lumière dans les diodes, les LEDs etc. Pour l’heure les LEDs blanches commercialisées donnent une lumière « froide » obtenue par superposition de jaune et de bleu. Le rendu colorimétrique serait meilleur si l'on pouvait utiliser d'autres superpositions de couleurs. Or les rendements de conversion chutent avec l'augmentation de la température pour ces autres superpositions. Nous avons actuellement un contrat de recherche avec Mitsubishi Chemical Corporation, portant sur les matériaux phosphorescents pour LED blanches, et leur comportement en température.

ABINIT et le réseau ETSF font toujours partie, bien évidemment, de mes activités de recherche prédominantes. Ils contribuent d’ailleurs à la mise en place de conditions pour faire de la « bonne » science.

Le cycle de cours que vous coordonnez au Collège Belgique – « Zoom sur le nano » – vous offre une nouvelle tribune pour poursuivre une tâche qui vous est chère : la diffusion du savoir, l’accessibilité de la science, les enjeux et les raisons de la partager avec les plus grand nombre.

Avec mes collègues Ghosez et Charlier, il s’agira d’exposer, au public présent, les méthodes qui permettent de comprendre les comportements des matériaux à l’échelle nanoscopique. Notre objectif relève du désir de mieux faire connaître ce qu’est la recherche théorique et les capacités d’étudier la matière dans le domaine du « nano ».

Il faut savoir que les lois quantiques qui gouvernent le monde des atomes diffèrent des lois classiques du monde macroscopique, dans lequel chacun de nous évolue. Il y a une part d’incertitude, de probabilité et de représentation diffuse qui nous plonge dans un cadre très éloigné de notre intuition commune. Nous verrons qu’on peut néanmoins expliquer bien des phénomènes.

Nous aborderons la question des matériaux carbonés, à la une de l’actualité scientifique, le Nobel 2011 récompensant des travaux sur le graphène. Après les nanotubes, ce sont les rubans de graphène qui attirent l’attention et offrent de nouvelles pistes pour la nano-électronique.

Enfin nous ferons le point, avec Philippe Ghosez de l’Université de Liège, sur les recherches consacrées aux matériaux ferro-électriques (utilisés dans les GSM par exemple) et l’apport du nanoscopique pour en améliorer les propriétés. Idem pour les matériaux thermo-électriques. Nous évoquerons les études sur des réfrigérateurs à moindre consommation, fondées sur l’utilisation de matériaux thermo-électriques pour pomper le froid et éviter ainsi les circuits de refroidissement, énergivores.

Votre réception à l’Académie royale comme membre de la Classe des Sciences est un nouveau point d’orgue dans un itinéraire passionnant, n’est-ce pas ?

Oui mais encore trop récent pour que je l'appréhende entièrement, au-delà du fait de pouvoir joindre une société scientifique prestigieuse ! L'Académie se « positionne » dans un environnement national et mondial, et le fait avec beaucoup de dynamisme. Avoir des réflexions de haut niveau sur des sujets scientifiques et sociétaux a du sens au niveau belge ou régional et contribue à nous faire entendre au-delà de nos frontières.

Maud Sorède, juin 2011.

Pour en savoir plus…
« Zoom sur le nano ! ». Collège Belgique, Bruxelles, Palais des Académies, coordination Prof. Xavier Gonze.
19/10/2011, à 17h. « Simuler la complexité nanoscopique. Le carbone dans tous ses états » Xavier Gonze et Jean-Christophe Charlier
20/10/2O11, à 17h. « Simuler la richesse nanoscopique. Phénomènes exotiques dans les oxydes » Philippe Ghosez et Xavier Gonze.

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