Nouvelle compréhension du magnétisme pourrait faire progresser les supraconducteurs et les ordinateurs quantiques

Nouveau matériau pour de nouvelles théories magnétiques

Les recherches les plus prometteuses en science des matériaux portent probablement sur tout ce qui est lié à l’électromagnétisme à l’échelle quantique. En effet, cela pourrait changer radicalement la façon dont nous concevons les matériaux pour de nombreuses applications high‑tech, chacune pouvant transformer le monde:

• Informatique quantique.
• Fusion nucléaire.
• Supraconducteurs à température ambiante.

Et nous apprenons encore beaucoup sur la composition possible des matériaux magnétiques. Par exemple, ce n’est qu’en 2022 qu’une équipe de chercheurs de l’Université Rice a découvert que le « matériau kagome », un type de cristal métallique, possédait des propriétés magnétiques surprenantes.

Le 18 octobre^th 2024, les mêmes chercheurs ont annoncé une nouvelle percée dans ce domaine et ont publié leurs résultats dans Nature Communications sous le titre « Division persistante de bande plate et forte renormalisation sélective de bande dans un film mince magnétique kagome¹ ».

La recherche a été réalisée en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Bohême occidentale (République tchèque), de l’Institut de science de Rehovot (Israël), du Brookhaven National Lab (États‑Unis) et du Los Alamos National Laboratory (États‑Unis).

Matériau kagome

Avant de discuter de la publication la plus récente, nous devons expliquer brièvement ce que sont les matériaux kagome.

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

Source: Research Gate

De manière similaire, les matériaux kagome, comme par exemple les cristaux magnétiques fer‑germanium, sont organisés selon ce motif au niveau atomique. Depuis les découvertes initiales, il a été constaté que le film mince fer‑étain (FeSn) présente une structure beaucoup plus proche du réseau kagome idéal.

Source: Rice University

Propriétés magnétiques uniques

Déjà en 2022, des propriétés uniques du matériau kagome avaient été observées:

• Les effets magnétiques nécessitent que les électrons circulent autour des triangles kagome, semblable à la supraconductivité.
  • Bien qu’il diffère des autres formes de « véritable » supraconductivité, il est certain que cet effet peut persister à température ambiante et à pression normale.
• La présence d’une « onde de densité de charge », où les électrons « fusionnent » les uns avec les autres en une onde collective, transportant collectivement un courant électrique.
  • Contrairement à la supraconductivité « normale », cela se manifeste par des pointes, comme de l’eau qui goutte d’un robinet plutôt que par un flux d’électrons continu.
• Bien que présentant une onde de densité de charge, le matériau kagome montre également des propriétés magnétiques, généralement deux propriétés incompatibles.

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

« À un moment donné, vous voulez pouvoir dire : ‘Je veux créer un matériau avec des comportements et des propriétés particuliers.’

Je pense que le kagome est une bonne plateforme dans cette direction, car il existe des moyens de faire des prédictions directes, basées sur la structure cristalline, concernant le type de structure de bande que vous obtiendrez et donc les phénomènes qui peuvent en découler. Il possède de nombreux éléments nécessaires.

Ming Yi – Professeur associé, Physique et Astronomie à l’Université Rice

Nouvelles perspectives sur le matériau kagome

Jusqu’à présent, les théories existantes sur le magnétisme dans les métaux kagome supposaient que les électrons itinérants étaient à l’origine du comportement magnétique. Cependant, la nouvelle publication révèle que les propriétés magnétiques du FeSn proviennent d’électrons localisés, et non des électrons mobiles que les scientifiques pensaient auparavant responsables.

Pour obtenir cette compréhension, les chercheurs ont utilisé des outils avancés tels que l’épitaxie par faisceau moléculaire et la spectroscopie photoémission à angle résolu afin de créer et d’analyser des films minces FeSn de haute qualité.

Source: Nature

La découverte indique également que le magnétisme et les corrélations électroniques dans les aimants kagome interagissent de manière complexe.

Applications

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

La première conséquence est que cela ouvre la voie à une meilleure compréhension de matériaux similaires, comme le potentiel encore mal compris des supraconducteurs à haute température. C’est un domaine où la pratique devance la théorie à bien des égards.

« Les matériaux fortement corrélés sont plus difficiles. Il y a un manque de connexion entre la théorie et la mesure.

Ainsi, il n’est pas seulement difficile de trouver des matériaux qui soient à la fois fortement corrélés et topologiques, mais lorsqu’on les trouve et les mesure, il est également très difficile de relier ce que l’on mesure à un modèle théorique qui explique ce qui se passe.

Ming Yi – Professeur associé, Physique et Astronomie à l’Université Rice

Un autre domaine qui pourrait grandement bénéficier de cette recherche est l’informatique quantique.

Plus spécifiquement, cela pourrait être utilisé pour créer des « portes logiques quantiques », un composant clé des ordinateurs quantiques qui sont actuellement difficiles à fabriquer et à exploiter.

« Pour les matériaux faiblement corrélés comme les isolants topologiques originaux, les calculs ab initio fonctionnent très bien.

Simplement en fonction de la façon dont les atomes sont disposés, vous pouvez calculer le type de structure de bande attendu. Il existe une très bonne voie du point de vue de la conception des matériaux. Vous pouvez même prédire la topologie des matériaux.

Ming Yi – Professeur associé, Physique et Astronomie à l’Université Rice

Investir dans les matériaux magnétiques avancés

La supraconductivité et les phénomènes physiques associés sont susceptibles de devenir majeurs tant dans les sciences que dans l’industrie technologique au cours des prochaines années. Cela s’explique par les progrès expérimentaux considérables réalisés au cours des cinq dernières années, comme nous l’avons décrit dans « Progrès de la supraconductivité ouvrant la voie à une nouvelle révolution technologique ».

Cela inclut non seulement les matériaux kagome dont nous avons parlé, mais aussi le graphite pyrolytique, le superconducteur d’interface 2D, et le superconducteur à température ambiante LK‑99.

Vous pouvez investir dans des sociétés liées aux supraconducteurs via de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver nos recommandations pour les meilleurs courtiers aux États‑Unis, Canada, Australie, 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 « Top 10 des entreprises informatiques non‑siliconées » et « Top 10 des actions en nanotechnologie ».

Entreprises d’informatique quantique

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) a été la force motrice principale derrière la commercialisation du premier ordinateur mainframe. Cependant, elle a pris du retard en volume de production par rapport à d’autres géants technologiques comme Apple (AAPL ), TSMC et NVIDIA (NVDA ).

Elle est toutefois à la pointe du développement des ordinateurs quantiques. Par exemple, elle a développé son ordinateur quantique de 127 qubits « Eagle », suivi d’un système de 433 qubits connu sous le nom de « Osprey ».

Et cela est maintenant suivi de « Condor », un processeur quantique à 1 121 qubits supraconducteurs basé sur la technologie de porte à résonance croisée, ainsi que « Heron », un processeur quantique à la pointe du domaine.

Les ordinateurs quantiques pourraient bénéficier d’un meilleur contrôle magnétique, améliorant la stabilité et la fiabilité des qubits, essentielles pour la puissance de calcul.

De même, les avancées dans les supraconducteurs, qui reposent sur des champs magnétiques contrôlés, pourraient conduire à une transmission d’énergie et à des systèmes de refroidissement plus efficaces, notamment à des températures plus élevées.

IBM est impliquée dans la plupart des autres innovations de pointe dans le domaine de l’informatique et de l’industrie des semi‑conducteurs. Cela comprend les matériaux organiques conducteurs, l’informatique neuromorphique, la photonique, etc.

Dans une certaine mesure, IBM est devenue une « entreprise de brevets » avec une expertise dans le développement de nouvelles méthodes informatiques et leur licence à l’industrie.

Jusqu’à présent, il semble très déterminé à détenir autant de brevets clés que possible dans toutes les méthodes informatiques non‑siliconées, reproduisant son succès passé lorsqu’il 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 technologique à la pointe de la révolution IA et de la quantité massive de matériel dont elle a besoin.

Cela a été réalisé grâce au développement de CUDA, une interface de programmation à usage général pour les GPU de NVIDIA, ouvrant la porte à d’autres utilisations que le jeu vidéo.

« Les chercheurs ont réalisé qu’en achetant cette carte de jeu appelée GeForce, vous l’ajoutez à votre ordinateur et vous avez essentiellement un superordinateur personnel. Dynamique moléculaire, traitement sismique, reconstruction CT, traitement d’image — une multitude de choses différentes. 

Jensen Huang, dans une interview avec Sequoia

Cette adoption plus large des GPU, et plus spécifiquement du matériel NVIDIA, a créé une boucle de rétroaction positive basée sur les effets de réseau : plus d’utilisations, plus d’utilisateurs finaux et de programmeurs familiers, plus de ventes, plus de budget R&D, plus d’accélération de la vitesse de calcul, plus d’utilisations, etc.

Source: Nvidia

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

Un autre fait remarquable concernant l’évolution de la puissance de calcul IA est qu’elle suit une loi exponentielle plutôt que la loi de Moore plus linéaire pour les CPU. Cela s’explique non seulement par l’amélioration du matériel GPU, mais aussi par la réduction de la puissance de traitement requise grâce à des améliorations radicales dans la façon dont les réseaux neuronaux sont entraînés.

Source: NVIDIA

Tout en étant leader dans les GPU et l’IA, NVIDIA est également très active dans le développement de l’informatique quantique comme 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, offrant un système cloud quantique où vous pouvez louer la capacité de calcul quantique de NVIDIA via un service cloud.

Source: NVIDIA

Cela comprend également des technologies telles que cuQuantum de NVIDIA pour que les chercheurs puissent émuler des ordinateurs quantiques, cuPQC pour le chiffrement quantique, et DGX Quantum pour l’intégration du calcul classique et quantique.

Dans l’ensemble, NVIDIA est à la pointe de la construction d’un écosystème d’informatique quantique, capitalisant sur sa position de leader en IA et matériel IA.

Source: NVidia

Si NVIDIA parvient à créer un tout nouveau segment dans l’informatique quantique au‑delà de ses activités GPU et IA existantes, elle pourrait continuer à croître avec l’application exponentielle de l’informatique quantique pendant de nombreuses années.

Référence de l’étude:

^{1. Chen, Y., Zhang, L., Wang, J., Li, X., & Xu, M. (2024). Division persistante de bande plate et forte renormalisation sélective de bande dans un film mince magnétique kagome. Nature Communications, 15, Article 53722. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3}