Une nouvelle compréhension du magnétisme pourrait faire progresser les supraconducteurs et les ordinateurs quantiques

Un nouveau matériau pour de nouvelles théories magnétiques

La recherche la plus prometteuse dans le domaine de la science des matériaux pourrait être celle liée à l'électromagnétisme à l'échelle quantique. En effet, ces recherches sont susceptibles de modifier radicalement la façon dont nous construisons les matériaux pour de nombreuses applications de haute technologie qui pourraient toutes changer le monde :

• L'informatique quantique.
• Fusion nucléaire.
• Supraconducteurs à température ambiante.

Et nous en apprenons encore beaucoup sur la composition des matériaux magnétiques. Par exemple, ce n'est qu'en 2022 qu'une équipe de chercheurs de l'université de Rice a découvert que le "matériau kagomeun type de cristal métallique, avait des propriétés magnétiques surprenantes.

Le 18 octobre^th en 2024, les mêmes chercheurs annoncent une nouvelle percée dans ce domaine et publient leurs résultats dans Nature Communications sous le titre "Séparation persistante des bandes plates et forte renormalisation sélective des bandes dans un film mince à aimant kagomé¹".

Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec des chercheurs de l'université de Bohême occidentale (République tchèque), de l'Institut des sciences de Rehovot (Israël), du laboratoire national de Brookhaven (États-Unis) et du laboratoire national de Los Alamos (États-Unis).

Matériau Kagome

Avant de parler de la publication la plus récente, nous devons expliquer un peu ce que sont les matériaux de kagome.

Il tire son nom du motif de tissage kagome utilisé dans l'artisanat traditionnel japonais, ou carrelage trihexagonal, avec des triangles qui se chevauchent et de grands vides hexagonaux.

Source : Portail de la recherche

De la même manière, les matériaux kagomé, comme par exemple les cristaux magnétiques de fer-germanium, sont organisés selon ce modèle au niveau atomique. Depuis les premières découvertes, on s'est rendu compte que les couches minces de fer-étain (FeSn) présentent une structure beaucoup plus proche du réseau idéal de kagomé.

Source : Université de Rice

Propriétés magnétiques uniques

Dès 2022, des propriétés uniques du matériau kagome ont été observées :

• Les effets magnétiques exigent que les électrons circulent autour des triangles de kagome, ce qui s'apparente à la supraconductivité.
  • Contrairement à d'autres formes de supraconductivité "réelle", on sait avec certitude que cet effet peut persister à température ambiante et dans des conditions de pression normales.
• La présence d'un "onde de densité de charge"où les électrons se "fondent" les uns dans les autres pour former une onde collective, porteuse collectivement d'un courant électrique.
  • Contrairement à la supraconductivité "normale", ce phénomène se produit par pointes, comme l'eau qui coule d'un robinet, plutôt que par un flux continu d'électrons.
• Bien qu'il présente une onde de densité de charge, le matériau de Kagome présente également des propriétés magnétiques, généralement deux propriétés incompatibles.

Dans l'ensemble, la nature très organisée des matériaux de kagome pourrait faciliter l'étude de phénomènes à la limite de notre compréhension de l'électromagnétisme, tels que "supraconductivité non conventionnelle" ou "les fluctuations continues entre les états magnétiques dans les liquides de spin quantiques".

À un moment donné, il faut pouvoir dire : "Je veux fabriquer un matériau avec des comportements et des propriétés particuliers".

Je pense que kagome est une bonne plate-forme dans cette direction, car il existe des moyens de faire des prédictions directes, basées sur la structure cristalline, sur le type de structure de bande que vous obtiendrez et donc sur les phénomènes qui peuvent survenir sur la base de cette structure de bande. Il possède plusieurs des bons ingrédients".

Ming Yi - Professeur associé de physique et d'astronomie à l'université de Rice

De nouvelles idées sur le matériel de Kagome

Jusqu'à présent, les théories existantes sur le magnétisme dans les métaux kagomé supposaient que des électrons itinérants étaient à l'origine du comportement magnétique. Toutefois, la nouvelle publication révèle que les propriétés magnétiques du FeSn sont dues à des électrons localisés, et non aux électrons mobiles que les scientifiques croyaient jusqu'à présent responsables.

Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé des outils avancés tels que l'épitaxie par faisceaux moléculaires et la spectroscopie de photoémission résolue en angle pour créer et analyser des couches minces de FeSn de haute qualité.

Source : Nature

Cette découverte indique également que le magnétisme et les corrélations électroniques dans les aimants kagome fonctionnent ensemble dans une interaction complexe.

Applications

Au départ, les implications de cette découverte sont un peu difficiles à saisir pour les non-physiciens.

La première conséquence est qu'elle ouvre la voie à une meilleure compréhension de matériaux similaires, tels que les le potentiel encore mal compris les supraconducteurs à haute température. Il s'agit d'un domaine où la pratique est en avance sur la théorie à bien des égards.

"Les matériaux fortement corrélés posent davantage de problèmes. Il y a un manque de lien entre la théorie et la mesure.

Il est donc non seulement difficile de trouver des matériaux qui sont à la fois fortement corrélés et topologiques, mais lorsque vous les trouvez et les mesurez, il est également très difficile de relier ce que vous mesurez à un modèle théorique qui explique ce qui se passe".

Ming Yi - Professeur associé de physique et d'astronomie à l'université de Rice

L'informatique quantique est un autre domaine qui pourrait grandement bénéficier de cette recherche.

Plus précisément, il pourrait être utilisé pour créer des "portes logiques quantiques", un élément clé des ordinateurs quantiques qui sont actuellement difficiles à créer et à utiliser.

"Pour les matériaux faiblement corrélés, comme les isolants topologiques originaux, les calculs de premier principe fonctionnent très bien.

En se basant sur la façon dont les atomes sont disposés, on peut calculer le type de structure de bande auquel on peut s'attendre. Il s'agit d'une voie très intéressante du point de vue de la conception des matériaux. On peut même prédire la topologie des matériaux.

Ming Yi - Professeur associé de physique et d'astronomie à l'université de Rice

Investir dans les matériaux magnétiques avancés

La supraconductivité et les phénomènes physiques qui y sont associés sont susceptibles de devenir un sujet important pour les sciences et l'industrie technologique au cours des prochaines années. En effet, des progrès expérimentaux considérables ont été réalisés au cours des cinq dernières années, comme nous l'avons décrit dans "Les progrès de la supraconductivité ouvrent la voie à une nouvelle révolution technologique".

Cela inclut non seulement les matériaux de kagome dont nous avons parlé ici, mais aussi graphite pyrolytique, Supraconducteur d'interface 2Det supraconducteur à température ambiante LK-99.

Vous pouvez investir dans des sociétés liées aux supraconducteurs par l'intermédiaire de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver les informations suivantes nos recommandations pour les meilleurs courtiers en les États-Unis, Canada, Australie, le Royaume-Uni, et de nombreux autres pays sur securities.io.

Vous pouvez également en savoir plus sur les entreprises actives dans ce domaine dans nos articles "Les 10 premières entreprises d'informatique hors silicium" et "Les 10 meilleures actions dans le domaine des nanotechnologies".

Entreprises d'informatique quantique

International Business Machines Corporation (IBM) est à l'origine de la commercialisation du premier ordinateur central. Cependant, elle a pris du retard par rapport au volume de production d'autres géants de la technologie comme Apple (AAPL +0.04%)TSMC et NVIDIA (NVDA -1.75%).

Elle est cependant à la pointe du développement des ordinateurs quantiques. Par exemple, elle a développé son ordinateur quantique "Eagle" de 127 qubits, qui a été suivi par un système de 433 qubits connu sous le nom de "Osprey".

Et c'est maintenant suivi de "Condor", un processeur quantique à 1 121 qubits supraconducteurs basé sur la technologie des portes à résonance croisée, ainsi que "Heron", un processeur quantique à la pointe de la technologie.

Les ordinateurs quantiques pourraient bénéficier d'un meilleur contrôle magnétique, améliorant la stabilité et la fiabilité des qubits, qui sont essentielles pour la puissance de traitement.

De même, les progrès réalisés dans le domaine des supraconducteurs, qui reposent sur des champs magnétiques contrôlés, pourraient déboucher sur des systèmes de transmission et de refroidissement de l'énergie plus efficaces, en particulier à des températures plus élevées.

IBM participe à la plupart des autres innovations de pointe dans le domaine de l'informatique et de l'industrie des semi-conducteurs. Il s'agit notamment de matériaux organiques conducteurs, informatique neuromorphique, photonique, etc.

Dans une certaine mesure, IBM est devenue une "société de brevets" spécialisée dans le développement de nouvelles méthodes informatiques et dans l'octroi de licences à l'industrie.

Jusqu'à présent, elle semble très déterminée à détenir le plus grand nombre possible de brevets clés dans toutes les méthodes informatiques autres que les semi-conducteurs, reproduisant ainsi son succès passé lorsqu'elle a contribué massivement au développement de l'industrie des semi-conducteurs pour en faire le géant qu'elle est aujourd'hui.

NVIDIA est passée d'une société de semi-conducteurs de niche spécialisée dans les cartes graphiques à un géant de la technologie à l'avant-garde de la révolution de l'IA et de l'énorme quantité de matériel qu'elle nécessite.

Ce résultat a été obtenu grâce au développement de CUDA, une interface de programmation à usage général pour les GPU de NVIDIA, ouvrant la voie à d'autres utilisations que les jeux.

"Les chercheurs ont réalisé qu'en achetant cette carte de jeu appelée GeForce, vous l'ajoutez à votre ordinateur et vous disposez essentiellement d'un superordinateur personnel. Dynamique moléculaire, traitement sismique, reconstruction de tomodensitométrie, traitement d'images - tout un tas de choses différentes.

Jensen Huang, dans une interview avec Sequoia

Cette adoption plus large des GPU, et plus particulièrement du matériel NVIDIA, a créé une boucle de rétroaction positive basée sur les éléments suivants les effets de réseauPlus il y aura d'utilisations, plus il y aura d'utilisateurs finaux et de programmeurs qui le connaîtront, plus il y aura de ventes, plus il y aura de budget R&D, plus il y aura d'accélération de la vitesse de calcul, plus il y aura d'utilisations, etc.

Source : Nvidia

Aujourd'hui, la base installée comprend des centaines de millions de GPU CUDA.

Un autre aspect remarquable de l'évolution de la puissance de calcul de l'IA est qu'elle suit une loi exponentielle au lieu de la loi de Moore, plus linéaire, pour les processeurs. En effet, non seulement le matériel GPU s'améliore, mais la puissance de traitement nécessaire a diminué grâce à l'amélioration radicale de la formation des réseaux neuronaux.

Source : NVIDIA

Tout en étant un leader dans le domaine des GPU et de l'IA, NVIDIA est également très active dans le développement de l'informatique quantique pour en faire un nouveau moteur de croissance..

De la même manière qu'elle a déployé CUDA pour les applications de réseaux neuronaux, Nvidia a lancé CUDA-Q pour l'informatique quantique, proposant un système de cloud quantique dans lequel vous pouvez louer la capacité d'informatique quantique de NVIDIA par le biais d'un service de cloud.

Source : NVIDIA

Il s'agit également de technologies telles que cuQuantum de NVIDIA, qui permet aux chercheurs d'émuler des ordinateurs quantiques, cuPQC pour le cryptage quantique et DGX Quantum pour l'intégration de l'informatique classique et quantique.

Dans l'ensemble, NVIDIA est à l'avant-garde de la construction d'un écosystème d'informatique quantique, capitalisant sur sa position de leader en matière d'IA et de matériel d'IA.

Source : NVidia

Si NVIDIA parvient à créer un tout nouveau segment dans l'informatique quantique au-delà de ses activités actuelles dans le domaine des GPU et de l'IA, elle pourrait continuer à croître avec l'application exponentielle de l'informatique quantique pendant de nombreuses années encore.

Référence de l'étude :

^{1. Chen, Y., Zhang, L., Wang, J., Li, X. et Xu, M. (2024). Persistent flat band splitting and strong selective band renormalization in a kagome magnet thin film. Nature Communications, 15Article 53722. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3}