Une nouvelle façon de contrôler la lumière pour des ordinateurs plus rapides à l’avenir

Les scientifiques ont créé un nouveau type de matériau métamorphique qui peut offrir une fonctionnalité de blocage de la lumière complète pour l’informatique photonique.

Un matériau métamorphique est un matériau conçu dont les propriétés ne découlent 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 sont pas trouvées dans les matériaux naturellement présents.

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

Le nouveau matériau métamorphique conçu¹ par des scientifiques de l’Université de New York combine des fonctionnalités qui sont généralement associées aux liquides et aux cristaux mais surpassent les deux d’entre eux dans sa capacité à bloquer la lumière incidente de toutes les directions.

Appelés gyromorphes, la nouvelle classe de matériaux désordonnés fonctionnellement corrélés fusionne le caractère aléatoire des liquides avec des motifs structurels à grande échelle pour bloquer la lumière de toutes les directions. L’étude a déclaré :

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

Avec cette innovation, les chercheurs ont résolu les limitations des conceptions basées sur les quasi-cristaux qui ont longtemps ennuyé les scientifiques. Cela peut également contribuer à faire progresser l’informatique photonique.

Des quasi-cristaux aux gyromorphes dans l’informatique photonique

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

Avec le traitement de données à la vitesse de la lumière, elle présente des promesses pour les tâches à haute performance comme l’IA, mais la technologie actuelle est confrontée à des défis de miniaturisation et de coût.

Les progrès dans le domaine ont conduit au développement de puces photoniques fonctionnelles pour une intégration dans des serveurs de calcul à haute performance. Mais l’informatique à base de lumière est encore à un stade précoce, avec des chercheurs luttant pour contrôler les flux optiques microscopiques qui traversent une puce.

Des matériaux conçus avec soin sont nécessaires pour réacheminer avec succès ces petits signaux optiques sans affaiblir leur force. Le maintien de ces signaux forts nécessite un matériau spécialisé, léger dans le matériel qui empêche la lumière parasite d’entrer de n’importe quelle direction.

Un composant essentiel pour atteindre cela est l’incorporation du matériau à bande interdite isotrope. Ce matériau bloque la lumière ou les autres ondes de se propager dans toutes les directions, tant que les fréquences sont dans sa bande interdite. Un tel matériau peut être désordonné mais hyperuniforme, ce qui signifie qu’il manque d’ordre translationnel à longue portée mais possède un type spécifique de caractère aléatoire contrôlé.

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

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 80, pour lesquelles il a remporté 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 une alliage, ils ont présenté une symétrie décuple sous un microscope électronique, une propriété qui n’apparaît pas dans les structures cristallines telles que les métaux.

Les quasi-cristaux ont 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 quasi-cristaux à la fois durables et fragiles.

Dans une étude menée par l’Université du Michigan plus tôt cette année, les chercheurs ont découvert que les quasi-cristaux sont des matériaux fondamentalement stables² malgré leur ressemblance avec les solides désordonnés.

“Nous devons savoir comment disposer les atomes en structures spécifiques si nous voulons concevoir des matériaux avec des propriétés souhaitées,” a noté le co-auteur de l’étude, Wenhao Sun, professeur adjoint de science et de génie des matériaux. “Les quasi-cristaux nous ont obligés à repenser la façon dont et pourquoi certains matériaux peuvent se former.”

Pour fournir les réponses à la question de savoir pourquoi les quasi-cristaux existent ou comment ils sont formés, les chercheurs ont dû comprendre ce qui les rend stables. Pour cela, ils ont dû déterminer si les quasi-cristaux sont stabilisés par l’enthalpie ou l’entropie, alors les chercheurs ont pris des nanoparticules plus petites à partir d’un bloc plus grand de quasi-cristal simulé, puis calculé l’énergie totale dans chaque nanoparticule.

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

Pour le calcul, l’équipe a utilisé des simulations quantiques mécaniques de quasi-cristaux, et pour résoudre le goulet d’étranglement informatique, ils n’ont fait communiquer que les processeurs voisins et non chaque processeur informatique les uns avec les autres, ce qui a rendu leur algorithme jusqu’à 100 fois plus rapide.

“Nous pouvons maintenant simuler le verre et les matériaux amorphes, les interfaces entre différents cristaux, ainsi que les défauts de cristal qui peuvent permettre les bits de calcul quantique.”

– Vikram Gavini, professeur de génie mécanique et de science et de génie des matériaux à l’Université du Michigan

Dans une autre recherche, les scientifiques de l’Institut national des normes et de la technologie (NIST) ont découvert des quasi-cristaux dans un nouvel alliage d’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 fort, afin qu’il puisse être utilisé dans des composants critiques comme les pièces d’avion militaire.

Et ils ont découvert que les quasi-cristaux en sont responsables. La rupture du motif régulier des cristaux d’aluminium renforce l’alliage. Quand on les regarde sous le bon angle, l’équipe a trouvé la “très rare” symétrie rotationnelle quintuple, en plus des symétries rotationnelles doubles et triples, à partir de deux angles différents.

Ceci, 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 quasi-cristaux peuvent rendre l’aluminium plus fort. Maintenant, les gens pourraient essayer de les créer intentionnellement dans les alliages futurs,” il a ajouté.

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

Les quasi-cristaux ont beaucoup de promesses. Ils même ont la capacité de bloquer complètement la lumière. Mais seulement à partir de directions limitées. Et même s’ils peuvent affaiblir la lumière de toutes les directions, ils ne peuvent pas l’arrêter complètement.

Pour surmonter cette limitation, les scientifiques ont cherché des alternatives qui peuvent bloquer la lumière parasite de manière plus efficace. Ceci a conduit au développement de gyromorphes, qui peuvent aider à construire des matériaux qui empêchent la lumière parasite d’entrer de n’importe quelle direction de manière plus efficace. Selon l’auteur principal de l’étude, Stefano Martiniani, qui est professeur adjoint de physique, de chimie, de mathématiques et de neurosciences :

“Les gyromorphes sont différents de toute structure connue dans la mesure où leur composition unique donne lieu à de meilleurs matériaux à bande interdite isotrope que ce qui est possible avec les approches actuelles.”

Cependant, un obstacle majeur dans l’ingénierie de ces matériaux, dont les propriétés dépendent de leur architecture, est l’agencement requis pour atteindre les propriétés physiques souhaitées.

Publié dans Physical Review Letters, les chercheurs de l’Université de New York détaillent une nouvelle stratégie⁴ pour ajuster le comportement optique.

L’équipe a développé un algorithme qui peut produire des structures fonctionnelles avec un désordre intégré. La nouvelle forme de “désordre corrélé” révélée par l’équipe se situe entre les deux extrêmes : entièrement ordonné et entièrement aléatoire.

“Pensez à 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 croyions incompatibles et présente une fonction qui surpasse toutes les alternatives ordonnées, y compris les quasi-cristaux.”

– Martiniani

Lors de leurs recherches, l’équipe a observé que tous les matériaux à bande interdite isotrope présentaient la même signature structurelle. Ils se sont donc concentrés sur la façon de la rendre “aussi prononcée que possible”, ce qui a conduit à la création de gyromorphes.

La nouvelle classe de matériaux résultante, selon l’auteur principal, Mathias Casiulis, un boursier postdoctoral au département de physique de l’Université de New York, “réconcilie des caractéristiques apparemment incompatibles”, car ils n’ont pas de structure cristalline fixe et répétitive, ce qui leur confère un désordre liquide. Cependant, lorsqu’on les regarde de loin, ils forment des motifs réguliers.

“Ces propriétés travaillent ensemble pour créer des bandes interdites que les ondes lumineuses ne peuvent pas pénétrer de n’importe quelle direction.”

– Casiulis

L’équipe a également introduit des “polygyromorphes” avec plusieurs symétries rotationnelles à différentes échelles de longueur pour permettre la formation de plusieurs bandes interdites dans une seule structure, ouvrant ainsi la voie à un contrôle précis des propriétés optiques.
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IA et matériaux quantiques de nouvelle génération dans la découverte

Alors que les chercheurs continuent de pousser plus loin dans les matériaux de nouvelle génération, de nouvelles classes de matériaux émergent.

Récemment, une équipe de recherche dirigée par le laboratoire Berkeley du Département de l’Énergie a rapporté la découverte⁵ du “berkelocene”, une molécule organométallique qui contient l’élément chimique radioactif synthétique berkelium.

Les molécules se composent d’un ion métallique entouré d’un cadre à base de carbone, et même si elles sont relativement courantes pour les éléments actinides précoces, elles sont rarement connues pour les éléments plus tardifs.

“Ceci est la première fois que des preuves de la formation d’une liaison chimique entre le berkelium et le carbone ont été obtenues. La découverte fournit une nouvelle compréhension de la façon dont le berkelium et les autres actinides se comportent par rapport à leurs pairs dans le tableau périodique,” a déclaré le co-auteur Stefan Minasian, un scientifique dans la division des sciences chimiques du laboratoire Berkeley, qui travaille sur la préparation de composés organométalliques d’actinides car ils permettent d’observer les structures électroniques distinctes des actinides.

Les actinides sont 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’année dernière, un partenariat entre des chercheurs de l’Université d’Uppsala en Suède et de l’Université de Columbia aux États-Unis a conduit à la découverte d’un matériau quantique 2D appelé CeSiI⁶, avec une structure cristalline de cérium, de silicium et d’iodure. Sa structure cristalline ressemble à un arrangement bidimensionnel de couches atomiques distinctes.

Les électrons de CeSil se comportent comme des fermions lourds, avec une masse effective pouvant aller 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 avons maintenant une plate-forme de matériaux considérablement améliorée pour étudier les structures électroniques corrélées. Les matériaux 2D sont comme un kit de construction avec des pièces LEGO. Nos partenaires travaillent déjà sur l’ajout de couches à partir d’autres matériaux 2D pour créer un nouveau matériau avec des propriétés quantiques personnalisées.”

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

Dans la science des matériaux, il existe des possibilités innombrables, et la sélection du bon matériau est un obstacle clé pour faire de nouvelles découvertes. Alors que les prédictions théoriques et les validations expérimentales aident à éclairer la sélection, cela est resté fragmenté.

C’est là que l’informaticité des matériaux basée sur l’IA prend le relais, en intégrant les connaissances à l’échelle quantique avec de grands ensembles de données pour écran, modéliser et optimiser rapidement de nouveaux matériaux qui seraient impossibles à découvrir par des méthodes conventionnelles d’essais et d’erreurs.

Une équipe de chercheurs de l’Université de Tohoku a construit une carte de matériaux basée sur l’IA⁷ pour unifier toutes les données expérimentales avec des données de calcul à partir de principes fondamentaux, afin d’aider les chercheurs à trouver le bon matériau pour une situation donnée.

La carte est un grand graphique avec des axes pour la similarité structurelle et la performance thermoelectrique (zT), avec chaque point de données représentant un matériau. Des matériaux similaires apparaissent à proximité. Comme ces matériaux sont généralement synthétisés et évalués à l’aide de méthodes et d’appareils 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.

Cela permet à l’outil d’aider à réduire les coûts de développement et à accélérer l’innovation et son déploiement dans le monde réel. À l’avenir, l’équipe prévoit d’étendre leur cadre au-delà de la thermoelectricité pour inclure les matériaux topologiques et magnétiques et d’incorporer des descripteurs supplémentaires pour créer une plate-forme d’aide à la conception de matériaux complète assistée par l’IA.

“En fournissant une vue d’ensemble intuitive, la carte aide les chercheurs à sélectionner des cibles prometteuses d’un seul coup d’œil ; elle devrait donc substantiellement raccourcir les délais de développement pour les nouveaux matériaux fonctionnels.”

– Professeur associé Yusuke Hashimoto

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

La réalisation de tests physiques et de simulations informatiques détaillées pour concevoir de nouveaux matériaux composites de haute qualité, est “particulièrement difficile lorsque le composite est créé sous la forme d’un matériau textile en fibre tissée, où les fibres sont enroulées les unes autour des autres et se comportent différemment en fonction des forces auxquelles le matériau est soumis,” a noté Ehsan Ghane, un étudiant en doctorat au département de physique de l’Université de Gothenburg.

Alors que les ordinateurs peuvent déjà simuler des microstructures réalistes basées sur les interactions et les influences d’un matériau, les matériaux composites tissés nécessitent encore des ressources informatiques considérables. Les réseaux de neurones offrent une alternative, mais ils nécessitent de grandes quantités de données d’entraînement et ont du mal à extrapoler, donc l’équipe a développé un modèle d’IA généralisé qui n’a pas besoin de tant de données.

Le modèle a été formé à partir de données de simulation et de test existantes pour les matériaux constitutifs du composite, lui permettant de prédire la durabilité du nouveau composite.

Alors que l’étude de Gothenburg a examiné les méthodes pour intégrer les lois de matériaux dans le modèle d’IA, une équipe de chercheurs de KAIST a combiné les lois physiques avec son modèle d’IA pour permettre une exploration rapide de nouveaux matériaux même lorsque les données sont bruyantes ou limitées.

L’identification des propriétés est une des principales étapes dans le développement de nouveaux matériaux, mais cela nécessite de grandes 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 chercheursont rapporté une technique de réseau de neurones informé par la physique (PINN) ⁹ pour détecter les propriétés des matériaux et le comportement de déformation en utilisant uniquement une petite quantité de données à partir 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 généraliser à des matériaux inconnus.

Les chercheurs du MIT sont allés encore plus loin en développant une méthode qui intègre des informations de plusieurs sources : littérature, compositions chimiques, images microstructurales, et plus encore. Cela fait partie de la nouvelle plate-forme Copilot pour les scientifiques expérimentaux du monde réel (CRESt). Leur méthode utilise des équipements robotiques pour permettre des tests à haute throughput des matériaux, puis les résultats retournent dans de grands modèles multimodaux pour améliorer leurs recettes.

Les chercheurs ont utilisé cet “assistant, et non un remplacement, pour les chercheurs humains”, pour explorer plus de 900 chimies et effectuer 3 500 tests électrochimiques qui ont conduit à la découverte d’un matériau catalyseur qui a livré une densité de puissance record dans une pile à combustible pour générer de l’électricité.

Investir dans le progrès de la science des matériaux

Dans le monde de la science des matériaux, ATI Inc. (ATI ) est connu pour ses matériaux et composants spécialisés techniquement avancés. La société produit des matériaux haute performance pour les marchés aérospatiaux, de la défense, médicaux, électroniques et énergétiques.

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 spéciaux. Il 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 sont cotées à 99,37 dollars, en hausse de 80,5 % cette année. Il a un BPA (TTM) de 3,10 et un ratio cours/bénéfice (TTM) de 32,09. La société verse un dividende de 0,32 %.