Institut des problèmes physiques

Comparé aux autres instituts de l'Académie des sciences de Russie (RAS), l'institut des problèmes physiques se distingue par sa taille relativement modeste. Dès le départ, Piotr Kapitza indique ne pas vouloir plus de huit scientifiques permanents car il estime qu'au delà, il deviendrait ingérable. Il n'y aucun département, juste un laboratoire^[1]. Au début du XXIe siècle, une cinquantaine^[2].

Malgré ses effectifs modestes, la contribution de l'institut à la science mondiale est considérable. De nombreuses expériences révolutionnaires et découvertes majeures y ont été réalisées, notamment dans les domaines de la physique des basses températures et de la physique des plasmas (y compris la recherche liée aux réactions thermonucléaires). Trois chercheurs associés à l'institut ont reçu le prix Nobel de physique :

• 1962 : Lev D. Landau, pour ses théories pionnières sur la matière condensée, notamment l'hélium liquide, qui comprenaient l'explication théorique de la superfluidité de l'hélium II^[3].
• 1978 : Piotr L. Kapitsa, pour ses inventions et découvertes fondamentales dans le domaine de la physique des basses températures, en particulier pour ses travaux expérimentaux sur la superfluidité de l'hélium II^[4].
• 2003 : Alekseï A. Abrikossov, pour ses contributions pionnières à la théorie des supraconducteurs et des superfluides, en particulier l'explication théorique des propriétés des supraconducteurs de type II^[5].

Les rédactions de deux revues de physique de renom, le Journal of Experimental and Theoretical Physics (JETP) et JETP Letters, sont hébergées dans les locaux de l'institut^[2].

L'IFP fait office d'institut de référence pour l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT)^[6].

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L'institut des problèmes physiques est fondé en 1934. Piotr Kapitza, qui travaille alors en Angleterre avec Ernest Rutherford, revient en URSS pour les vacances. Le gouvernement l'empêche de repartir et l'institut est créé pour lui permettre de continuer ses recherches en Union soviétique^[1]. Dès 1935, il en devient le directeur et c'est Kapitza lui-même qui nomme l'institut en Institut des problèmes physiques afin de souligner que son champ d'action ne se limite pas à un seul domaine de connaissance. Au contraire, elle s'attaque à « des problèmes scientifiques connus, dont la portée serait déterminée par le personnel, c'est-à-dire les chercheurs qui y travailleraient »^[1],[7].

L'institut est construit en seulement dix mois, sur la colline des Moineaux à Moscou^[8]. L'institut est équipé, dès sa création, d'un liquéfacteur d'hydrogène et d'helium, provenant d'Angleterre^[9]. Le liquéfacteur d'hélium est basé sur les travaux préliminaires de Kapitza et est plus simple, économe et offre un meilleur rendement que les liquéfacteurs classiques de l'époque. Il s'agit à l'époque du premier liquéfacteur de l'URSS. Les deux liquéfacteurs sont désormais exposés au musée de l'institut^[9].

Un générateur d'ondes électromagnétiques, importé d'Angleterre, est installé à l'institut et est également basé sur un design de Kapitza lors de son séjour en Angleterre^[9].

Dès 1937, l'institut est fonctionnel et la recherche commence^[10].

L'institut engage quelques scientifiques, dont Lev Landau en 1937 ou Evgueni Lifchits en 1939. Lev Landau est démis de ses fonctions et arrêté par le gouvernement dès l'été 1937 mais, grâce aux efforts de Kapitza, il retrouve son emploi en avril 1938. Cette même année, l'institut publie son premier article scientifique sur des résultats expérimentaux en supraconductivité. Deux papiers, rédigés par Kapitza, suivent, dont un en anglais dans la revue Nature. Ce papier, fort court, introduit le concept de superfluidité de l'hélium II. Lev Landau reprend le flambeau de cette recherche, ce qui l'amène à obtenir quelques années plus tard le prix Nobel de physique grâce à ses recherches théoriques sur le sujet^[11].

Kapitza améliore la production d'air liquide en utilisant une turbine d'expansion, ce qui est alors inédit^[10]. Il est alors possible, avec une haute efficacité, de produire de l'oxygène liquide à partir de l'air, ce qui en fait une invention d'une grande valeur pratique. Il continue également d'innover dans le domaine de la supraconductivité et de la superfluidité^[12].

Dès juillet 1941, l'institut est évacué vers Kazan mais Kapitza et un petit groupe d'ingénieurs restent à Moscou^[12]. La production d'oxygène pure est nécessaire à l'effort de guerre et Kapitza est directement impliqué dans une industrialisation de la production. Une partie des membres de l'institut sont récompensés par le gouvernement. L'institut retourne à Moscou en 1943 et les membres continuent de travailler sur l'amélioration de la production d'oxygène. Pour ce travail, l'institut est décoré de l'Ordre du Drapeau rouge du Travail en 1945 et Kapitza obtient le titre de héros du travail socialiste^[12],[13].

L'institut travaille également sur de l'armement et notamment l'étude du principe de fonctionnement de la bombe magnétique allemande MV-1000. Afin d'étudier en toute sécurité le fonctionnement du détonateur, l'ensemble de la structure est refroidi à l'azote liquide. Des travaux sont également menés sur la séparation d'un mélange toluène et de benzène ou encore de nouveaux filtres bactériens pour l'industrie^[14].

En novembre 1942, un département théorique est créé au sein de l'institut et Lev Landau en prend la tête. Il mène des travaux sur l'hydrodynamique de la combustion tout en continuant à développer la théorie de la superfluidité^[14].

En 1945, à la sortie de la guerre, l'URSS souhaite se doter de l'arme nucléaire. Un comité de neuf personnes est créé par le gouvernement et Kapitza en est désigné membre. Il refuse, indiquant directement à Staline qu'il ne faut pas faire comme les Américains et que la personne chargée du projet, Lavrenti Beria, est jugé incompétent techniquement et ne sait pas gérer les subalternes. Ce conflit mène à l'exclusion de Kapitza de tout travail et notamment de la direction de l'institut. Anatoly P. Alexandrov le remplace alors dès le mois d'août 1946. Ce dernier ne souhaite pas spécialement le poste mais est contraint par Beria. Les recherches de l'institut s'orientent alors vers la physique atomique et quatre laboratoires sont créés : le laboratoire de physique des basses températures (dirigé par A.I. Shal'nikov), le laboratoire de physique moléculaire (dirigé par Anatoli P. Aleksandrov), le laboratoire des nouvelles techniques de mesure (dirigé par P.G. Strelkov) et le laboratoire des applications techniques (dirigé par M.P. Malkov)^[14].

Entre 1946 et 1955, alors que Piotr L. Kapitsa est assigné à résidence et écarté de la direction de l'institut, les recherches sur la bombe atomique avancent. Notamment, un groupe dirigé par Lev D. Landau effectue des calculs numériques essentiels pour la bombe à hydrogène soviétique. Ces calculs donnent un avantage à l'URSS, car des calculs complexes similaires sont retardés aux États-Unis dans l'attente de la mise à disposition d'ordinateurs plus puissants. Anatoli P. Aleksandrov n'est pas souvent présent à l'institut et en 1948 est nommé directeur adjoint du « Laboratoire n° 2 ». Il délègue à A.I. Shal'nikov la direction de l'institut^[15]. Pendant cette période, Kapitza poursuit certains travaux dans un petit laboratoire situé dans sa datcha, surnommé avec humour « l'izba (cabane) des problèmes physiques »^[16],[15]. L'institut continue également sa recherche sur la superfluidité et la supraconductivé. La pénétration d'un champ magnétique dans un supraconducteur est étudié, de même que des travaux sur l'isotope hélium 3 à basse température débute. En 1950, Lev Landau et Vitaly Ginzburg publie leur théorie phénoménologique des supraconducteurs, qui est désormais connue sous le nom de théorie de Ginzburg-Landau^[15].

En 1951, l'institut est renommé en institut S. I. Vavilov des problèmes physiques de l'Académie des sciences de l'URSS en l'honneur de Sergueï Vavilov, ancien président de l'Académie des sciences d'URSS mais dont le travail n'était pas lié à celui de l'institut^[15].

En 1953, l'URSS voit des changement à sa tête (mort de Staline et Beria) et Kapitza est réintégré à l'institut en 1953 et en reprend la direction en 1955. En 1958, un décret annule totalement son éviction de la direction^[15].

Kapitza réintègre l'institut, tout en étant responsable du laboratoire de physique. Deux organisations scientifiques presque indépendantes existent alors, l'institut des problèmes physiques de l'Académoe des sciences de l'URSS et le laboratoire de physique de l'Académie des sciences de l'URSS^[15]. L'enseignement reprend également et se concentre sur la théorie de la cryogénie et son ingénierie. L'institut est très vivant, des animations culturelles étant organisées régulièrement (exposition de peinture, cinéma, etc.)^[17].

Après la réintégration de Kapitza au poste de directeur en 1955 et jusqu'à sa mort en 1984, l'institut abandonne les travaux sur le projet atomique et se consacrent aux basses températures, notamment les travaux sur la physique des plasmas et les ultra-hautes fréquences qui sont poursuivis au Laboratoire de Physique^[17].

De nouveaux scientifiques intègrent l'institut, notamment des expérimentateurs (A.S. Borovik-Romanov, K.O. Keshishev, N.V. Zavaritskii, A.Ya. Parshin, L.A. Prozorova, M.S. Khaikin, Yu. V. Sharvin et V.S. Edelman) mais aussi des scientifiques (Alekseï Abrikossov, Alexander Andreev, M.I. Kaganov, I.A. Formin)^[17].

En 1962, Lev Landau reçoit le prix Nobel de physique pour ses travaux sur la superfluidité mais est victime, la même année, d'un grave accident de voiture^[17]. Kapitza reçoit également le prix Nobel de physique en 1978 pour ses travaux sur l'hélium réalisé en 1938^[17]. Les études menées à l'institut sur les supraconducteurs mènent également en 2003 au prix Nobel de physique d'Alekseï Abrikossov et Vitaly Ginzburg^[17].

En 1964, certains théoristes quittent l'institut des problèmes physiques et fondent l'institut de physique théorique, connu plus tard sour le nom d'institut Landau de physique théorique^[17].

L'institut travaille sur la cryochirurgie (en), ce qui vaut à Shal'nikov le prix d'État de l'URSS en 1985^[17]. Son laboratoire travaille depuis les années 1950 sur l'hélium cristallin, et dans les années 1970, Alexander Andreev et A.Ya. Parshin prédisent le comportement d'un cristal d'hélium. Pour ces travaux, les membres de l'institut recoivent le prix Lénine en 1986^[17].

Dans les années 1970, l'institut se dote d'une installation à ultra-basse température, qui permet de descendre plus bas qu'un 1 mK grâce à la démagnétisation adiabatique. Dans les années 1980, des températures record de 0,12 mK sont obtenues et cela reste le point le plus froid de Russie. Il n'existe que quelques installations similaires dans le monde^[17].

Kapitza meurt en 1984. Viktor-Andrei Borovik-Romanov (ru) prend la direction de l'institut, secondé par Alexander Andreev. Les études sur les plasmas à haute température sont abandonnés au sein du laboratoire de physique et ce dernier est définitivement intégré à l'institut des problèmes physiques^[17]. En 1985, le musée P.L. Kapitsa est créé au sein de l'institut, dans la maison de campagne de Kapitza. En 1989, l'institut est rénommé Institut P.L. Kapitza des problèmes physiques et le nom de S.I. Vavilov est attribué à l'institut d'optique d'État (en)^[17].

En 1991, l'URSS s'effondre et l'institut fait face à un manque quasi total de financement et le départ de nombreux membres du personnel. En 1990, Viktor-Andrei Borovik-Romanov quitte la direction et Alexander Andreev est nommé directeur. Celui-ci modifier la structure en supprimant les laboratoires scientifiques et le département théorique, pour ne former qu'un grand laboratoire^[18].

Le gouvernement russe ne souhaite plus développer en interne des équipements et les cryostats ou les Dewar sont achetés à l'étranger. Le bureau d'études au sein de l'institut est supprimé^[18].

La réforme de l'Académie des sciences de Russie de 2013 entraine de nombreux changements. Le musée et le département MIPT ne recoivent plus de financement. De plus, la présence d'étudiants en troisième cycle devient impossible pour un si petit institut^[18].

En 2017, Vladimir V. Dmitriev (ru) prend la relève d'Alexander Andreev^[18].

L'institut poursuit ses travaux sur les basses températures et de la recherche fondamentale (théorique et expérimentale), ainsi que des travaux appliqués. Il se concentre sur l'étude des propriétés magnétiques de nouveaux matériaux, notamment des supraconducteurs et l'hélium-3 superfluide^[18]. Le développement d'équipements cryogéniques reprend au sein de l'institut et un cryostat autonome portable qui peut descendre 0,1 K et permet de refroidir des grands télescopes^[2].

Le 20 juillet 2023, en réponse à l'invasion de l'Ukraine par la Russie, l'institut est ajouté à la liste des entités sanctionnées établie par le Département d'État américain, qui vise spécifiquement les organisations soutenant le secteur de la défense russe^[19],[20].

Tout au long de son histoire, le nom officiel de l’institut est modifié sept fois, reflétant l’évolution de son statut et de ses affiliations^[21] :

1. Institut des problèmes physiques de l'Académie des sciences de l'URSS (1934)
2. Ordre du Drapeau rouge du Travail : institut des problèmes physiques de l'Académie des sciences de l'URSS (1945)
3. Ordre du Drapeau rouge du Travail : institut S. I. Vavilov des problèmes physiques de l'Académie des sciences de l'URSS (1951)
4. Ordre du Drapeau rouge du Travail : institut P. L. Kapitza des problèmes physiques de l'Académie des sciences de l'URSS (1989)
5. Institut P. L. Kapitza des problèmes physiques de l'Académie des sciences de Russie (1991)
6. Institution de l'Académie russe des sciences « Institut P. L. Kapitsa des problèmes physiques de l'Académie russe des sciences » (2007)
7. Institution scientifique fédérale à budget d'État « Institut P. L. Kapitsa des problèmes physiques de l'Académie russe des sciences » (2012)