Une nouvelle façon de contrôler la lumière pour des ordinateurs futurs plus rapides

Les scientifiques ont créé un nouveau type de métamatériau capable d’offrir une fonctionnalité complète de blocage de la lumière pour l’informatique photonique.

Un métamatériau est un matériau conçu dont les propriétés ne proviennent pas de la composition chimique de ses composants de base, mais de leur structure interne soigneusement conçue. En tant que tel, ces matériaux peuvent présenter des propriétés inhabituelles qui ne se trouvent pas dans les matériaux naturels.

Ces matériaux sont généralement composés de plusieurs matériaux, tels que des métaux et des plastiques, et disposés en structures répétitives sous la longueur d’onde. La forme, la taille, la géométrie, l’orientation et l’agencement confèrent leurs propriétés, leur permettant de manipuler les ondes électromagnétiques, acoustiques ou sismiques en les absorbant, les déviant, les amplifiant ou les bloquant, afin d’obtenir des avantages impossibles avec les matériaux conventionnels.

Le nouveau métamatériau conçu¹ par des scientifiques de l’Université de New York combine des caractéristiques généralement associées aux liquides et aux cristaux, mais dépasse les deux dans sa capacité à bloquer la lumière entrante sous tous les angles.

Appelés gyromorphes, la nouvelle classe de matériaux désordonnés fonctionnellement corrélés fusionne le hasard de type liquide avec des motifs structuraux à grande échelle pour bloquer la lumière provenant de toutes les directions. L’étude a déclaré :

“Nous générons des gyromorphes en 2D et 3D par des méthodes d’optimisation spectrale, vérifiant qu’ils affichent un fort ordre rotationnel discret mais aucun ordre translationnel à longue portée, tout en maintenant une isotropie rotationnelle à courte portée pour un 퐺 suffisamment grand.”

Avec cette innovation, les chercheurs ont résolu les limitations des conceptions basées sur les quasicristaux qui dérangeaient les scientifiques depuis longtemps. Cela peut également aider à faire progresser l’informatique photonique.

Des quasicristaux aux gyromorphes dans l’informatique photonique

Dans l’informatique photonique, les photons au lieu des courants électriques sont utilisés pour effectuer des calculs. Cette nouvelle génération d’ordinateurs, une fois réalisée, pourra être bien plus efficace et plus rapide que les machines conventionnelles traditionnelles.

Avec le traitement des données à la vitesse de la lumière, elle promet des tâches à haute performance comme l’IA, mais la technologie fait face à des défis de miniaturisation et de coût. 

Les avancées dans le domaine ont conduit au développement de puces photoniques fonctionnelles à intégrer dans des serveurs de calcul haute performance. Mais l’informatique pilotée par la lumière est encore à un stade précoce, les chercheurs peinant à contrôler les flux microscopiques de lumière traversant une puce.

Des matériaux soigneusement conçus sont nécessaires pour rediriger ces minuscules signaux optiques sans en affaiblir l’intensité. Maintenir ces signaux forts nécessite une substance spécialisée, légère dans le matériel qui empêche la lumière parasite d’entrer de n’importe quelle direction.

Un composant crucial pour y parvenir est l’incorporation du matériau à bande interdite isotrope. Ce matériau bloque la lumière ou d’autres ondes de se propager dans toutes les directions, tant que les fréquences se situent dans sa bande interdite. Un tel matériau peut être désordonné tout en étant hyperuniforme, c’est‑à‑dire qu’il ne possède pas d’ordre translationnel à longue portée mais qu’il possède un type de hasard spécifique et contrôlé.

Lors de la conception de matériaux à bande interdite isotrope, les chercheurs se sont longtemps concentrés sur les quasicristaux.

Ces structures qui suivent des règles mathématiques mais ne se répètent pas comme les cristaux traditionnels ont été découvertes par le scientifique Dan Shechtman au début des années 1980, pour lesquelles il a reçu le Prix Nobel de chimie en 2011.

La découverte a été faite lors de recherches sur l’aluminium et le manganèse. Lorsque les deux métaux ont été fondus ensemble et refroidis rapidement pour former un alliage, ils ont présenté une symétrie décapluque sous un microscope électronique, une propriété qui n’apparaît pas dans les structures cristallines comme les métaux.

Les quasicristaux possèdent des propriétés de structures cristallines, comme les diamants, ce qui signifie qu’ils sont organisés en motifs, ainsi que des structures amorphes comme le verre, ce qui signifie que ces motifs ne se répètent pas. Leurs propriétés uniques rendent les quasicristaux à la fois durables et fragiles.

Dans une étude de l’Université du Michigan plus tôt cette année, les chercheurs ont constaté que les quasicristaux sont des matériaux fondamentalement stables² malgré leur similarité avec les solides désordonnés.

“Nous devons savoir comment disposer les atomes en structures spécifiques si nous voulons concevoir des matériaux aux propriétés désirées”, a noté le co‑auteur de l’étude, Wenhao Sun, professeur assistant en sciences et génie des matériaux chez Dow. “Les quasicristaux nous ont obligés à repenser comment et pourquoi certains matériaux peuvent se former.”

Pour fournir les réponses à simplement pourquoi les quasicristaux existent ou comment ils sont formés, les chercheurs ont dû d’abord comprendre simplement ce qui les rend stables. Pour cela, ils ont dû déterminer si les quasicristaux sont stabilisés par l’enthalpie ou l’entropie, ainsi les chercheurs ont pris des nanoparticules plus petites d’un bloc simulé plus grand de quasicristal, puis ont calculé l’énergie totale dans chaque nanoparticule.

Les chercheurs ont découvert que tant les quasicristaux bien étudiés, un alliage de scandium et de zinc, que l’alliage d’ytterbium et de cadmium, sont stabilisés par l’enthalpie.

Pour le calcul, l’équipe a utilisé des simulations quantiques des quasicristaux, et pour résoudre le goulot d’étranglement informatique, ils ont fait communiquer uniquement les processeurs voisins plutôt que chaque processeur d’ordinateur entre eux, ce qui a rendu leur algorithme jusqu’à 100 fois plus rapide.

“Nous pouvons désormais simuler le verre et les matériaux amorphes, les interfaces entre différents cristaux, ainsi que les défauts cristallins qui peuvent permettre des bits d’informatique quantique.”

– Vikram Gavini, professeur de génie mécanique et de sciences des matériaux à l’U‑M

Dans une autre recherche, le National Institute of Standards and Technology (NIST) a découvert des quasicristaux dans un nouvel alliage aluminium‑zirconium³, qui a été formé sous les conditions extrêmes de l’impression 3D métallique.

Alors que l’ajout de zirconium à la poudre d’aluminium permet d’imprimer des alliages d’aluminium à haute résistance, l’équipe du NIST voulait comprendre ce qui rend ce métal si solide, afin qu’il puisse être utilisé dans des composants critiques comme les pièces d’avions militaires.

Et ils ont découvert que les quasicristaux en sont responsables. Rompre le motif régulier des cristaux d’aluminium renforce l’alliage. Lorsque l’on regarde sous le bon angle, l’équipe a trouvé la « très rare » symétrie rotationnelle à cinq branches, en plus des symétries à deux et trois branches, à partir de deux angles différents.

Cela, selon le physicien du NIST et co‑auteur, Fan Zhang, « ouvrira une nouvelle approche de la conception d’alliages. Avec la recherche montrant que les quasicristaux peuvent rendre l’aluminium plus résistant. Maintenant, les gens pourraient essayer de les créer intentionnellement dans de futurs alliages, » a‑t‑il ajouté.

À l’intérieur de la révolution des gyromorphes : matériaux à bande interdite isotrope

Les quasicristaux offrent beaucoup de promesses. Ils ont même la capacité de bloquer complètement la lumière. Mais seulement depuis des directions limitées. Et bien qu’ils puissent atténuer la lumière provenant de toutes les directions, ils ne peuvent pas l’arrêter entièrement.

Pour surmonter cette limitation, les scientifiques ont recherché des alternatives capables de bloquer plus efficacement la lumière qui dégrade le signal. Cela a conduit au développement des gyromorphes, qui peuvent aider à créer des matériaux empêchant la lumière parasite d’entrer de n’importe quelle direction de façon plus efficace. Selon le senior author de l’étude, Stefano Martiniani, assistant‑professeur de physique, chimie, mathématiques et neurosciences :

“Les gyromorphes n’ont aucun équivalent connu ; leur composition unique donne naissance à de meilleurs matériaux à bande interdite isotrope que les approches actuelles ne permettent.”

Cependant, un obstacle majeur dans l’ingénierie de ces matériaux, dont les propriétés dépendent de leur architecture, est l’arrangement requis pour obtenir les propriétés physiques désirées.

Publié dans Physical Review Letters, les chercheurs de l’Université de New York détaillent une stratégie novatrice⁴ pour ajuster le comportement optique.

L’équipe a développé un algorithme capable de produire des structures fonctionnelles avec un désordre intégré. La nouvelle forme de « désordre corrélé » révélée par l’équipe se situe entre les deux extrêmes : totalement ordonné et totalement aléatoire.

“Imaginez des arbres dans une forêt — ils poussent à des positions aléatoires, mais pas complètement aléatoires car ils sont généralement à une certaine distance les uns des autres. Ce nouveau motif, les gyromorphes, combine des propriétés que nous pensions incompatibles et affiche une fonction qui surpasse toutes les alternatives ordonnées, y compris les quasicristaux.”

– Martiniani

Au cours de leurs recherches, l’équipe a observé que tous les matériaux à bande interdite isotrope présentaient la même signature structurelle. Ainsi, ils se sont concentrés sur le rendre « aussi prononcé que possible », ce qui a conduit à la création des gyromorphes.

La nouvelle classe de matériaux résultante, selon l’auteur principal Mathias Casiulis, post‑doctorant au département de physique de NYU, « réconcilie des caractéristiques apparemment incompatibles », car ils n’ont pas de structure cristalline fixe et répétitive, ce qui leur confère un désordre de type liquide. En même temps, lorsqu’on les observe à distance, ils forment des motifs réguliers.

“Ces propriétés travaillent ensemble pour créer des bandes interdites que les ondes lumineuses ne peuvent pas traverser depuis aucune direction.”

– Casiulis 

L’équipe a également introduit les « polygyromorphes » avec plusieurs symétries rotationnelles à différentes échelles de longueur afin de permettre la formation de multiples bandes interdites dans une seule structure, ouvrant ainsi la voie à un contrôle fin des propriétés optiques.
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IA et matériaux quantiques de prochaine génération dans la découverte

Alors que les chercheurs continuent à explorer plus profondément les matériaux de prochaine génération, de toute nouvelles classes de matériaux émergent.

Récemment, une équipe de recherche dirigée par le Berkeley Lab du Département de l’énergie a rapporté la découverte⁵ du « berkelocene », une molécule organométallique contenant l’élément chimique synthétique, lourd et radioactif, le berkelium.

Les molécules sont constituées d’un ion métallique entouré d’un cadre à base de carbone, et bien que relativement courantes pour les premiers actinides, elles sont rarement connues pour les plus tardifs.

“C’est la première fois que l’on obtient des preuves de la formation d’une liaison chimique entre le berkelium et le carbone. Cette découverte apporte une nouvelle compréhension de la façon dont le berkelium et d’autres actinides se comportent par rapport à leurs homologues du tableau périodique”, a déclaré le co‑auteur Stefan Minasian, scientifique de la Division des sciences chimiques du Berkeley Lab, qui travaille à la préparation de composés organométalliques d’actinides afin d’observer leurs structures électroniques distinctes.

Les actinides forment une série de 15 éléments métalliques radioactifs du tableau périodique, situés dans le bloc f. L’uranium et le plutonium sont des exemples d’actinides. Ils sont connus pour leurs propriétés radioactives et sont utilisés dans les réacteurs nucléaires et d’autres technologies.

L’an dernier, un partenariat entre des chercheurs de l’Université d’Uppsala, Suède, et de l’Université Columbia, États‑Unis, a conduit à la découverte d’un matériau quantique 2D appelé CeSiI⁶, avec une structure cristalline de cérium, silicium et iode. Sa structure cristalline ressemble à un agencement bidimensionnel de couches atomiques distinctes.

Les électrons de CeSiI se comportent comme des fermions lourds, avec une masse effective jusqu’à 100 fois supérieure à celle des matériaux ordinaires. Cette masse effective est anisotrope ; elle dépend donc de la direction dans laquelle les électrons se déplacent dans les couches atomiques.

“Avec cette découverte, nous disposons désormais d’une plateforme matérielle nettement améliorée pour étudier les structures électroniques corrélées. Les matériaux 2D sont comme un kit de construction avec des pièces LEGO. Nos partenaires travaillent déjà à l’ajout de couches d’autres matériaux 2D afin de créer un nouveau matériau aux propriétés quantiques personnalisées.”

– Chin Shen Ong du Département de physique et d’astronomie de l’Uppsala

En science des matériaux, les possibilités sont innombrables, et choisir le bon matériau constitue un obstacle majeur à de nouvelles découvertes. Bien que les prédictions guidées par la théorie et les validations expérimentales aident à orienter le choix, le domaine est resté fragmenté.

C’est là que l’informatique des matériaux pilotée par l’IA intervient, intégrant des connaissances à l’échelle quantique avec de vastes ensembles de données pour dépister, modéliser et optimiser rapidement de nouveaux matériaux qui seraient impossibles à découvrir par la méthode d’essai‑erreur conventionnelle.

Une équipe de chercheurs de l’Université de Tohoku a construit une carte des matériaux alimentée par l’IA⁷ afin d’unifier toutes les données expérimentales avec des données computationnelles de première principe représentatives, dans le but d’aider les chercheurs à trouver le matériau adéquat pour chaque situation.

La carte est un grand graphe avec des axes pour la similarité structurelle et la performance thermoélectrique (zT), chaque point de données représentant un matériau. Les matériaux similaires apparaissent à proximité. Comme ces matériaux sont généralement synthétisés et évalués avec des méthodes et dispositifs similaires, la carte permet aux expérimentateurs de repérer rapidement des analogues de matériaux à haute performance inconnus et de réutiliser les protocoles de synthèse existants comme prochaines étapes.

De cette façon, l’outil peut aider à réduire les coûts de développement et à accélérer l’innovation ainsi que son déploiement réel. À l’avenir, l’équipe prévoit d’étendre son cadre au‑delà des thermoélectriques pour inclure les matériaux topologiques et magnétiques et d’incorporer des descripteurs supplémentaires afin de créer une plateforme complète de conception de matériaux assistée par l’IA.

“En offrant une vue intuitive, en vue d’oiseau, sur de nombreux candidats, la carte aide les chercheurs à sélectionner d’un seul regard des cibles prometteuses ; elle devrait donc réduire considérablement les délais de développement de nouveaux matériaux fonctionnels.”

– Professeur associé Yusuke Hashimoto

Parallèlement, une étude de l’Université de Göteborg a développé un modèle d’IA pour déterminer efficacement la résistance et la durabilité⁸ des matériaux composites tissés.

Réaliser des tests physiques et des simulations informatiques détaillées pour concevoir de nouveaux matériaux composites de haute qualité est « particulièrement difficile lorsque le composite est créé comme un matériau textile tissé, où les fibres s’enroulent les unes autour des autres et se comportent différemment selon les forces auxquelles le matériau est soumis », a noté Ehsan Ghane, doctorant au Département de physique de l’Université de Göteborg.

Bien que les ordinateurs puissent déjà simuler des microstructures réalistes basées sur les interactions et influences d’un matériau, les matériaux composites tissés nécessitent encore d’importantes ressources informatiques. Les réseaux neuronaux offrent une alternative, mais ils requièrent de grandes quantités de données d’entraînement et peinent à extrapoler, si bien que l’équipe a développé un modèle d’IA généralisé qui ne nécessite pas autant de données.

Le modèle a été entraîné sur des simulations et des données de test existantes pour les matériaux constituants du composite, lui permettant de prédire la durabilité du nouveau composite.

Alors que l’étude de Göteborg a étudié des méthodes d’intégration des lois matérielles dans le modèle d’IA, une équipe de chercheurs de KAIST a combiné les lois physiques avec son modèle d’IA afin de permettre l’exploration rapide de nouveaux matériaux même lorsque les données sont bruyantes ou limitées.

L’identification des propriétés est une des étapes clés dans le développement de nouveaux matériaux, mais elle nécessite d’énormes quantités de données expérimentales et d’équipements coûteux, ce qui limite l’efficacité de la recherche. L’équipe de KAIST a surmonté ce besoin en intégrant les lois qui régissent la déformation et l’interaction des matériaux et de l’énergie.

Les chercheurs ont rapporté une technique de réseau neuronal informé par la physique (PINN)⁹ pour détecter les propriétés matérielles et le comportement de déformation en n’utilisant qu’une petite quantité de données provenant d’une seule expérience. Ils ont ensuite introduit un modèle d’IA, le Physics‑Informed Neural Operator (PINO), qui comprend les lois de la physique et peut se généraliser à des matériaux inconnus.

Des chercheurs du MIT ont poussé cela encore plus loin en développant une méthode qui intègre des informations provenant de multiples sources¹⁰ : la littérature, les compositions chimiques, les images microstructurales, et plus encore.

Cela fait partie de la nouvelle plateforme Copilot pour les scientifiques expérimentaux du monde réel (CRESt). Leur méthode utilise des équipements robotiques pour permettre des tests à haut débit de matériaux, puis renvoie les résultats aux grands modèles multimodaux afin d’améliorer leurs recettes.

Les chercheurs ont utilisé cet « assistant, pas un remplacement, pour les chercheurs humains », pour explorer plus de 900 chimies et réaliser 3 500 tests électrochimiques qui ont conduit à la découverte d’un matériau catalyseur qui a délivré une densité de puissance record dans une pile à combustible pour produire de l’électricité.

Investir dans l’avancement de la science des matériaux

Dans le monde de la science des matériaux, ATI Inc. (ATI ) est connue pour ses matériaux spécialisés techniquement avancés et ses composants complexes. L’entreprise produit des matériaux haute performance pour les marchés aérospatial, défense, médical, électronique et énergétique.

Les produits d’ATI sont fabriqués à partir d’alliages à base de nickel et de superalliages, de titane et d’alliages à base de titane, ainsi que d’alliages spécialisés. Elle opère à travers deux segments :

• Matériaux et composants haute performance (HPMC)
• Alliages avancés et solutions (AA&S)

Avec une capitalisation boursière de 13,5 milliards de dollars, les actions d’ATI se négocient à 99,37 $, en hausse de 80,5 % cette année. Elle affiche un BPA (TTM) de 3,10 et un PER (TTM) de 32,09. L’entreprise verse un rendement de dividende de 0,32 %.