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

Nouveau matériau pour de nouvelles théories magnétiques

Les recherches les plus prometteuses en science des matériaux peuvent être liées à l’électromagnétisme à l’échelle quantique. En effet, cela a le potentiel de changer radicalement la façon dont nous construisons des matériaux pour de nombreuses applications high-tech qui pourraient chacune changer le monde :

• L’informatique quantique.

<li-La fusion nucléaire.

• Les supraconducteurs à température ambiante.

Et nous apprenons encore beaucoup sur les matériaux magnétiques qui peuvent être créés. 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, avait des propriétés magnétiques surprenantes.

Le 18 octobre 2024, les mêmes chercheurs ont annoncé une nouvelle avancée dans ce domaine et ont publié leurs résultats dans Nature Communications sous le titre “Division persistante de la bande plate et forte renormalisation sélective de la bande dans un film mince de magnétite kagome¹“.

Les travaux ont été réalisés en collaboration avec des chercheurs de l’Université de West Bohème (République tchèque), de l’Institut de science de Rehovot (Israël), du Laboratoire national de Brookhaven (États-Unis) et du Laboratoire national de Los Alamos (États-Unis).

Matériau kagome

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

Il tire son nom du motif de tissage kagome utilisé dans l’artisanat traditionnel japonais, ou pavage trihexagonal, avec des triangles chevauchants et de grandes cavités hexagonales.

Source : Research Gate

De même, les matériaux kagome, tels que les cristaux de fer-germanium magnétiques, sont organisés selon ce motif au niveau atomique. Depuis les découvertes initiales, il a été réalisé que le film mince de fer-étain (FeSn) présente une structure beaucoup plus proche du réseau kagome idéal.

Source : Rice University

Propriétés magnétiques uniques

Dès 2022, des propriétés uniques du matériau kagome avaient été remarquées :

• Les effets magnétiques nécessitent que les électrons circulent autour des triangles kagome, à la manière de la supraconductivité.
  • Bien que, contrairement à d’autres formes de “vraie” 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 vague collective, transportant collectivement un courant électrique.
  • Contrairement à la “normale” supraconductivité, cela se produit par à-coups, comme de l’eau qui goutte d’un robinet plutôt que d’un flux d’électrons continu.
• Malgré l’affichage d’une onde de densité de charge, le matériau kagome affiche également des propriétés magnétiques, généralement deux propriétés incompatibles.

Dans l’ensemble, la nature très organisée des matériaux kagome pourrait les rendre plus faciles à étudier les phénomènes à la limite de notre compréhension de l’électromagnétisme, comme la “supraconductivité non conventionnelle” ou les “fluctuations continues entre les états magnétiques dans les liquides de spin quantiques“.

“À un moment donné, vous voulez être en mesure de dire : ‘Je veux créer un matériau avec des comportements et des propriétés particulières.‘

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

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 déterminaient le comportement magnétique. Cependant, la nouvelle publication révèle que les propriétés magnétiques de FeSn proviennent d’électrons localisés, et non des électrons mobiles que les scientifiques pensaient précédemment responsables.

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

Source : Nature

La découverte indique également que le magnétisme et les corrélations électroniques dans les aimants kagome travaillent ensemble dans un jeu complexe.

Applications

Au début, 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, comme le potentiel encore non entièrement compris des supraconducteurs à haute température. Il s’agit d’un domaine où la pratique est en avance sur la théorie dans de nombreux aspects.

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

Donc, non seulement est-il 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, Physique et astronomie à l’Université Rice

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

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

“Pour les matériaux faiblement corrélés comme les premiers isolants topologiques, les calculs de première principe fonctionnent vraiment bien.

Juste en fonction de la façon dont les atomes sont disposés, vous pouvez calculer quel type de structure de bande vous attendez. Il y a un chemin vraiment clair à partir d’une perspective de conception de matériaux. Vous pouvez même prédire la topologie des matériaux.”

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

Investir dans des matériaux magnétiques avancés

La supraconductivité et les phénomènes physiques associés devraient devenir un grand sujet dans 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 “Progrès dans la supraconductivité ouvrant la voie à une nouvelle révolution technologique“.

Cela inclut non seulement les matériaux kagome que nous avons discutés ici, mais également le graphite pyrolytique, le supraconducteur à interface 2D, et le supraconducteur 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 dans les États-Unis, le Canada, <u{l'Australie, le Royaume-Uni, et de nombreux autres pays sur securities.io.

Vous pouvez également en savoir plus sur les sociétés actives dans ce domaine dans nos articles “Top 10 des sociétés de calcul non silicium” et “Top 10 des actions de nanotechnologie”.

Sociétés d’informatique quantique

International Business Machines Corporation (IBM) a été la force motrice derrière la commercialisation du premier ordinateur mainframe. Cependant, il a perdu du terrain dans la production de volume par rapport à d’autres géants de la technologie comme Apple (AAPL ), TSMC et NVIDIA (NVDA ).

Il est cependant à la pointe du développement des ordinateurs quantiques. Par exemple, il a développé son ordinateur quantique “Eagle” à 127 qubits, suivi d’un système de 433 qubits connu sous le nom de “Osprey”.

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

Les ordinateurs quantiques pourraient bénéficier d’une amélioration du contrôle magnétique, améliorant la stabilité et la fiabilité des qubits, qui sont essentielles pour la puissance de traitement.

De même, les progrès dans les supraconducteurs, qui reposent sur des champs magnétiques contrôlés, pourraient conduire à une transmission et à un refroidissement d’énergie plus efficaces, en particulier à des températures plus élevées.

IBM est impliqué dans la plupart des autres innovations de pointe dans l’informatique et l’industrie des semi-conducteurs. Cela inclut les matériaux organiques conducteurs, l’informatique neuromorphique, la photonique, etc.

Jusqu’à un certain point, IBM est devenu une “société de brevets” avec une expertise dans le développement de nouvelles méthodes de calcul et la licence de celles-ci à l’industrie.

Il semble très déterminé à détenir autant de brevets clés que possible dans toutes les méthodes de calcul non silicium qu’il peut obtenir, reproduisant ainsi son succès passé lorsqu’il a contribué de manière significative au développement de l’industrie des semi-conducteurs en ce qu’elle est aujourd’hui.

NVIDIA a évolué d’une société de semi-conducteurs de niche spécialisée dans les cartes graphiques à un géant de la technologie à la pointe de la révolution de l’IA et du matériel massif dont elle a besoin.

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

“Les chercheurs ont réalisé que, en achetant cette carte de jeu appelée GeForce, vous l’ajoutez à votre ordinateur, vous avez essentiellement un supercalculateur personnel. La dynamique moléculaire, le traitement sismique, la reconstruction CT, le traitement d’images – un tas 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 finals et de programmeurs familiers avec cela, plus de ventes, plus de budget de 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.

Une autre chose remarquable dans l’évolution de la puissance de calcul de l’IA est qu’elle suit une loi exponentielle plutôt que la loi de Moore linéaire pour les CPU. Cela est dû au fait que non seulement le matériel GPU s’améliore, mais que la puissance de traitement requise a diminué au fil des améliorations radicales de la façon dont les réseaux de neurones sont formés.

Source : NVIDIA

Alors que leader dans les GPU et l’IA, NVIDIA est également très active dans le développement de l’informatique quantique en tant que nouveau moteur de croissance.

De même que lorsqu’il a déployé CUDA pour les applications de réseaux de neurones, Nvidia a publié CUDA-Q pour l’informatique quantique, offrant un système quantique cloud où vous pouvez louer une capacité de calcul quantique NVIDIA via un service cloud.

Source : NVIDIA

Cela inclut également des technologies comme cuQuantum de NVIDIA pour les chercheurs pour 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 dans l’IA et le matériel d’IA.

Source : NVidia

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

Référence d’étude :

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