Des physiciens à la conquête des états chimères

Des chercheurs du laboratoire FEMTO-ST ont imaginé et implémenté une méthode optique originale permettant d'explorer les propriétés de nouveaux comportements complexes appelés états chimères. Caractérisés par une coexistence d'ordre et de désordre, ils émergent spontanément et de manière inattendue dans un ensemble homogène. La compréhension des mécanismes à l'origine de leur formation pourrait être transposée dans des situations naturelles ou technologiques (tout type de réseau complexe: objets connectés, neurones, capteurs intelligents, distribution d'énergie, individus via internet), permettant ainsi d'éclaircir certains de leurs comportements mystérieux. Ces travaux sont publiés dans Nature Communications.


Une chimère est une créature fantastique de la mythologie grecque dont certaines parties du corps appartiennent à des animaux différents. Ces éléments corporels hétérogènes réussissent à coexister au sein d'un même animal. En physique, les états chimères ont été découverts en 2002 dans le cadre de l'étude des comportements de certains systèmes dynamiques complexes, comme par exemple un réseau symétrique et homogène de pendules oscillants, tous attachés de manière identique par des ressorts. Dans ces systèmes, le bon sens suggère que le comportement dynamique global respecte la symétrie: soit tous les pendules sont synchrones, soit ils se comportent tous de manière totalement décorrélée. Or des comportements différents peuvent émerger et co-exister, à l'image des différentes parties du corps d'une chimère.

Comment se forment et perdurent ces états chimères ? Pour le comprendre, les chercheurs du laboratoire FEMTO-ST ont développé une méthode optique en mettant à profit leurs connaissances et savoir-faire originaux dans le domaine des dynamiques à retard ou à "mémoire" (1). Là où les autres recherches sur le sujet considèrent un ensemble spatial d'oscillateurs couplés, ils utilisent une dynamique évoluant dans le temps uniquement, la dimension spatiale pouvant être virtuellement émulée grâce au retard. L'énorme avantage des dynamiques à retard est de permettre des expériences beaucoup plus simples à réaliser, et aussi dans lesquelles l'uniformité du réseau (nœuds identiques et loi de couplage identique) est bien mieux contrôlée. L'expérience originale d'optique qu'ils ont développée est constituée d'une diode laser dont la couleur à un instant donné est définie par une transformation non linéaire de la couleur qui existait à un instant bien antérieur (du fait d'un retard, ou effet "mémoire").

Cette expérience met en évidence une organisation complexe, mais déterministe, de nombreux états chimères différents, en fonction de la valeur de certains paramètres régissant la loi d'évolution de la dynamique à retard. Du fait de l''extrême sensibilité aux conditions initiales, les chercheurs ont pu étudier des phénomènes de coexistence entre des chimères à têtes multiples.

Le succès de cette expérience permet aux chercheurs de franchir une étape importante dans la compréhension des états chimères. Elle est en effet suffisamment complexe pour obtenir des états chimères mais aussi suffisamment simple et contrôlable pour pouvoir en explorer les propriétés. L'objectif à plus long terme de l'équipe de FEMTO-ST est de comprendre de manière aussi détaillée que possible les mécanismes dynamiques de ces états chimères, et ensuite de les transposer dans des situations naturelles ou technologiques, où leurs propriétés pourraient jouer un rôle essentiel.

Le muscle cardiaque peut par exemple être vu comme un ensemble dynamique complexe, dont le fonctionnement global est issu de nombreuses cellules nerveuses et musculaires permettant une excitation adéquate et donc un battement approprié. Le fait que ce comportement global soit parfois défaillant, lors d'arythmies ou de tachycardies, pourrait être mieux compris grâce à l'éclairage des mécanismes de formation des états chimères.

Autre exemple: l'émergence d'équipements technologiques, et même de personnes, de plus en plus densément connectés via de nombreux objets communicants. Ces ensembles constituent aussi des réseaux de nœuds en très forte interaction, dont la complexité et le comportement global sont cependant très loin d'être maîtrisés ou compris. Les états chimères pourraient apporter un angle d'étude nouveau pour comprendre les diverses formes d'auto-organisation de ces systèmes complexes.

Ce projet est soutenu par le Labex ACTION, DEMO3, en rapport étroit avec le thème du calcul neuromorphique.

Pour plus d'information voir: Laser chimeras as a paradigm for multi-stable patterns in complex systems

Note:

(1) Une dynamique à retard peut être interprétée comme un système à contre-réaction, c'est-à-dire qui réagit à son propre comportement, mais avec un temps de décalage conséquent par rapport à son temps de réaction. Ce décalage, ce retard, ou encore cette mémoire, est généralement issu d'un phénomène de transport: cette situation devient évidente par exemple dans le contexte du contrôle d'un objet dans l'espace -satellite ou robot- depuis la terre, pour lequel le retard provient d'un temps d'aller-retour des signaux pouvant dépasser plusieurs minutes. La dimension d'une dynamique à retard est infinie, comme celle d'une dynamique spatio-temporelle.