La vie de Mildred Dresselhaus était une vie contre toute attente. Ayant grandi pauvre dans le Bronx – et encore plus à son détriment, ayant grandi en tant que femme dans les années 1940 – les options de carrière traditionnelles de Dresselhaus étaient dérisoires. Au lieu de cela, elle est devenue l’une des plus éminentes expertes mondiales en science du carbone ainsi que la première femme professeur d’institut au MIT, où elle a passé 57 ans de sa carrière. Elle a collaboré avec des sommités de la physique comme Enrico Fermi et a jeté les bases essentielles de futures recherches lauréates du prix Nobel, a dirigé le bureau des sciences du département américain de l’énergie et a elle-même reçu la médaille nationale des sciences.
Dans l’extrait ci-dessous de Carbon Queen : La vie remarquable de la pionnière des nanosciences Mildred Dresselhaus, auteur et directeur éditorial adjoint chez Nouvelles du MITMaia Weinstock, raconte l’époque où Dresselhaus a collaboré avec le physicien irano-américain Ali Javan pour étudier exactement comment les porteurs de charge – c’est-à-dire les électrons – se déplacent dans une matrice de graphite, une recherche qui bouleverserait complètement la compréhension du domaine du fonctionnement de ces particules subatomiques.
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Extrait de Carbon Queen : La vie remarquable de la pionnière des nanosciences Mildred Dresselhaus par Maia Weinstock. Réimprimé avec la permission de The MIT Press. Droits d’auteur 2022.
UN TOUR-DE-FACE CRITIQUE
Pour toute personne ayant une carrière de chercheur aussi longue et aussi accomplie que celle de Mildred S. Dresselhaus, il y a forcément certains articles qui pourraient se perdre un peu dans les couloirs de l’esprit – des articles qui ne font que des progrès modérés, peut-être, ou qui impliquent relativement peu d’efforts ou d’apports (lorsque, par exemple, être un auteur consultant mineur sur un article avec de nombreux coauteurs). À l’inverse, il y a toujours des articles remarquables que l’on ne peut jamais oublier – pour leur impact scientifique, pour coïncider avec des périodes particulièrement mémorables de sa carrière, ou simplement pour être des expériences uniques ou bestiales.
La première publication de recherche majeure de Millie après être devenue membre permanent de la faculté du MIT est tombée dans la catégorie hors concours. C’était une histoire qu’elle a décrite à maintes reprises dans ses souvenirs de carrière, la notant comme « une histoire intéressante pour l’histoire des sciences ».
L’histoire commence par une collaboration entre Millie et le physicien irano-américain Ali Javan. Né en Iran de parents azerbaïdjanais, Javan était un scientifique talentueux et un ingénieur primé devenu célèbre pour son invention du laser à gaz. Son laser hélium-néon, inventé avec William Bennett Jr. alors qu’ils étaient tous les deux aux Bell Labs, était une avancée qui a rendu possible bon nombre des technologies les plus importantes de la fin du XXe siècle, des lecteurs de CD et de DVD aux systèmes de lecture de codes-barres en passant par la fibre optique moderne. .
Après avoir publié quelques articles décrivant ses premières recherches magnéto-optiques sur la structure électronique du graphite, Millie cherchait à approfondir encore plus, et Javan voulait l’aider. Les deux se sont rencontrés pendant le travail de Millie au Lincoln Lab; elle était une grande fan, l’appelant autrefois « un génie » et « un scientifique extrêmement créatif et brillant ».
Pour son nouveau travail, Millie visait à étudier les niveaux d’énergie magnétique dans les bandes de valence et de conduction du graphite. Pour ce faire, elle, Javan et un étudiant diplômé, Paul Schroeder, ont utilisé un laser à gaz néon, qui fournirait un point de lumière pointu pour sonder leurs échantillons de graphite. Le laser a dû être construit spécialement pour l’expérience, et il a fallu des années pour que les fruits de leur travail mûrissent ; en effet, Millie a déménagé de Lincoln au MIT en plein travail.
Si l’expérience n’avait donné que des résultats banals, conformément à tout ce que l’équipe avait déjà connu, cela aurait quand même été un exercice révolutionnaire car c’était l’un des premiers où les scientifiques ont utilisé un laser pour étudier le comportement des électrons dans un champ magnétique. Mais les résultats n’étaient pas du tout banals. Trois ans après que Millie et ses collaborateurs ont commencé leur expérience, ils ont découvert que leurs données leur disaient quelque chose qui semblait impossible : l’espacement des niveaux d’énergie dans les bandes de valence et de conduction du graphite était totalement différent de ce à quoi ils s’attendaient. Comme Millie l’a expliqué à un public ravi du MIT deux décennies plus tard, cela signifiait que « la structure de groupe que tout le monde utilisait jusqu’à présent ne pouvait certainement pas être la bonne et devait être bouleversée ».
En d’autres termes, Millie et ses collègues étaient sur le point de renverser une règle scientifique bien établie – l’un des types de découvertes scientifiques les plus passionnants et les plus importants que l’on puisse faire. Tout comme la publication historique de 1957 dirigée par Chien-Shiung Wu, qui a renversé un concept de physique des particules accepté depuis longtemps connu sous le nom de conservation de la parité, bouleverser la science établie nécessite un degré élevé de précision et de confiance dans ses résultats. Millie et son équipe avaient les deux.
Ce que leurs données suggéraient, c’est que le placement précédemment accepté d’entités connues sous le nom de porteurs de charge dans la structure électronique du graphite était en fait rétrograde. Les porteurs de charge, qui permettent à l’énergie de circuler à travers un matériau conducteur tel que le graphite, sont essentiellement ce que leur nom l’indique : quelque chose qui peut transporter une charge électrique. Ils sont également critiques pour le fonctionnement des appareils électroniques alimentés par un flux d’énergie.
Les électrons sont un porteur de charge bien connu ; ces bits subatomiques portent une charge négative lorsqu’ils se déplacent. Un autre type de porteur de charge peut être observé lorsqu’un électron se déplace d’un atome à un autre dans un réseau cristallin, créant une sorte d’espace vide qui porte également une charge, une charge égale à l’électron mais de charge opposée. Dans ce qui est essentiellement un manque d’électrons, ces porteurs de charge positifs sont appelés trous.
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FIGURE 6.1 Dans ce schéma simplifié, des électrons (points noirs) entourent des noyaux atomiques dans un réseau cristallin. Dans certaines circonstances, les électrons peuvent se libérer du réseau, laissant une place ou un trou vide avec une charge positive. Les électrons et les trous peuvent se déplacer, affectant la conduction électrique dans le matériau.
Millie, Javan et Schroeder ont découvert que les scientifiques utilisaient la mauvaise affectation des trous et des électrons dans la structure précédemment acceptée du graphite : ils ont trouvé des électrons là où les trous devraient être et vice versa. « C’était assez fou », a déclaré Millie dans une interview d’histoire orale en 2001. « Nous avons constaté que tout ce qui avait été fait sur la structure électronique du graphite jusque-là était inversé. »
Comme pour de nombreuses autres découvertes renversant la sagesse conventionnelle, l’acceptation de la révélation n’a pas été immédiate. Premièrement, la revue à laquelle Millie et ses collaborateurs ont soumis leur article a initialement refusé de le publier. En racontant l’histoire, Millie a souvent noté que l’un des arbitres, son ami et collègue Joel McClure, s’était révélé en privé en tant que critique dans l’espoir de la convaincre qu’elle était embarrassante hors de la base. « Il a dit », se souvient Millie dans une interview en 2001, « ‘Millie, tu ne veux pas publier ça. Nous savons où se trouvent les électrons et les trous ; comment pouvez-vous dire qu’ils sont à l’envers ?’ » Mais comme tous les bons scientifiques, Millie et ses collègues avaient vérifié et revérifié leurs résultats de nombreuses fois et étaient confiants dans leur exactitude. Et ainsi, Millie a remercié McClure et lui a dit qu’ils étaient convaincus qu’ils avaient raison. « Nous voulions publier, et nous… prendrions le risque de ruiner nos carrières », racontait Millie en 1987.
Donnant à leurs collègues le bénéfice du doute, McClure et les autres examinateurs ont approuvé la publication de l’article malgré des conclusions qui allaient à l’encontre de la structure établie du graphite. Puis une chose amusante s’est produite : renforcés en voyant ces conclusions imprimées, d’autres chercheurs ont émergé avec des données précédemment collectées qui n’avaient de sens qu’à la lumière d’une affectation inversée des électrons et des trous. « Il y a eu tout un flot de publications qui ont soutenu notre découverte qui ne pouvaient pas être expliquées auparavant », a déclaré Millie en 2001.
Aujourd’hui, ceux qui étudient la structure électronique du graphite le font avec la compréhension du placement des porteurs de charge glanée par Millie, Ali Javan et Paul Schroeder (qui a terminé avec une thèse assez remarquable basée sur les résultats du groupe). Pour Millie, qui a publié les travaux au cours de sa première année à la faculté du MIT, l’expérience a rapidement renforcé sa position de chercheuse exceptionnelle de l’Institut. Alors que bon nombre de ses contributions les plus remarquables à la science étaient encore à venir, cette première découverte était celle dont elle resterait fière pour le reste de sa vie.
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