Jean-Michel Parent en est à son dernier stage au baccalauréat en physique à l’Université de Sherbrooke. Après avoir fait deux stages auprès de chercheurs de l’Institut quantique, il complète cette fois-ci un stage sous la supervision du Pr Stephan Haas à l’University of Southern California. Il travaille sur les propriétés d’un modèle peu exploré en physique, soit un système physique où la condition d’hermiticité n’est pas respectée. Comment y parvenir ? En utilisant une généralisation de la physique quantique afin de solutionner le problème. Ce modèle permet de bien estimer l’interaction d’un système quantique avec son environnement.

Passionné de sciences dès le secondaire

Le trajet qui a mené Jean-Michel aux laboratoires du Pr Haas débute au secondaire, là où il cultive déjà un intérêt pour la science. Il opte pour le programme de sciences pures au Cégep de Drummondville pour satisfaire sa curiosité et explorer les fondements et la complexité du monde qui l’entoure. Il partage même sa passion pour la connaissance en étant tuteur en français, en mathématiques et en sciences.

Quand est venu le temps de choisir un programme universitaire, Jean-Michel souhaite approfondir ses connaissances scientifiques et c’est à ce moment qu’il choisit la physique « La physique est, à mon avis, le domaine de la science le plus susceptible de répondre à mes questions. Je vois également la physique comme un éternel défi à relever. Il y a toujours quelque chose de nouveau à apprendre dans ce domaine, ce qui est évidemment d’un grand intérêt pour quelqu’un de curieux comme moi. »

Des stages auprès de professeurs de l’Institut quantique

Avant d’atterrir dans le sud de la Californie, Jean-Michel a fait ses deux premiers stages à Sherbrooke. Un premier avec le Pr Jeffrey Quilliam qui a mené à la rédaction d’un article. Un autre article a également été publié lors d’un stage effectué plus récemment auprès du Pr René Côté (voir encadré). Jean-Michel tire de ces stages de grands bénéfices tant sur le plan personnel que scolaire : « Au cours de mon travail ayant mené à ces publications, j’en ai découvert énormément, tant sur le plan de mes connaissances de la physique que sur celui du processus de recherche en physique théorique. J’ai appris beaucoup sur des modèles théoriques très importants en physique théorique, comme le modèle du « tight-binding », mais également sur des phénomènes physiques très importants comme l’effet Hall quantique. »

Et pour la suite ?

Avec le travail sur ces publications, Jean-Michel estime que cette expérience a confirmé l’idée de poursuivre des études à la maîtrise en physique de la matière condensée théorique. Il aimerait d’ailleurs entreprendre une carrière de professeur universitaire, car, pour lui, il n’y a pas d’égal à la recherche en milieu universitaire.

Un sujet l’intéresse plus spécifiquement ? « Je ne suis toujours pas fixé sur le type de projet sur lequel j’aimerais travailler, mais j’ai plusieurs idées. »

Voici donc le résumé qu’en a préparé Jean-Michel de cet article avec le Pr Côté :

En raison de l’absence de spin nucléaire des atomes de carbone 12 (¹²C) qui composent le graphène, la résonance magnétique nucléaire (RMN) sur ce matériau n’est possible que s’il est enrichi en ¹³C  qui possède un spin nucléaire.  Cependant, même enrichi, le signal observable en RMN est très faible étant donné la bidimensionnalité du graphène. Pour étudier la RMN sur ce matériau, il faut disposer d’un échantillon suffisamment grand et enrichi en ¹³C, ce qui est maintenant envisageable avec les plus récentes méthodes de fabrication.

Comme son nom l’indique, la RMN permet de sonder la fréquence de précession du spin des noyaux atomiques dans un champ magnétique. Cette fréquence est affectée par l’environnement immédiat des noyaux. Par exemple, si le gaz d’électrons dans le graphène possède une aimantation magnétique en un certain endroit, la fréquence de précession des spins nucléaire en cet endroit est modifiée. Si l’aimantation varie spatialement, la forme de la courbe de résonance du signal RMN reflète cette variation.

La RMN permet ainsi de détecter la présence de différentes phases du gaz d’électrons. Dans certaines de ces phases, lorsqu’un intense champ magnétique est appliqué perpendiculairement à la couche de graphène, les électrons libres du graphène s’ordonnent spatialement pour former un cristal : le cristal de Wigner ou cristal d’électrons.   Chaque électron du cristal de Wigner possède un spin électronique qui peut également prendre différentes orientations dans l’espace de sorte que l’on peut envisager l’existence de différentes phases du cristal de Wigner selon sa forme spatiale (cristal carré, triangulaire, rectangulaire, etc.) et selon l’orientation locale du spin électronique (spins parallèles, antiparallèles, en spirale, etc.) c’est-à-dire selon son aimantation locale.

La motivation derrière cette publication était d’explorer le signal RMN des différentes phases cristallines de façon à déterminer dans quelles limites cette technique expérimentale permet de discerner entre des phases ayant des textures d’aimantation différente. Les électrons du graphène ont des propriétés très spéciales par rapport à ceux d’autres matériaux bidimensionnels (comme une masse électronique nulle et une propriété appelée « chiralité ») qui modifient profondément le signal RMN.

Côté, R.,  Parent, J.-M., Nuclear magnetic resonance line shapes of Wigner crystals in C 13 -enriched graphene, Physical Review B Volume 95, Issue 23, 8 June 2017, Article number 235411