Une équipe de physiciens a découvert un nouveau matériau supraconducteur doté d’une capacité d’adaptation unique aux stimuli externes, ce qui promet des progrès dans le domaine de l’informatique économe en énergie et de la technologie quantique. Cette avancée, réalisée grâce à des techniques de recherche avancées, permet un contrôle sans précédent des propriétés supraconductrices, révolutionnant potentiellement les applications industrielles à grande échelle.
Ce matériau a des applications potentielles dans les circuits supraconducteurs destinés à la prochaine génération d’électronique industrielle.
Les chercheurs ont utilisé Advanced Photon Source pour vérifier les caractéristiques rares de ce matériau, ouvrant ainsi la voie à un calcul à grande échelle plus efficace.
À mesure que les besoins informatiques industriels augmentent, la taille et la consommation d’énergie du matériel nécessaire pour répondre à ces besoins augmentent également. Une solution possible à ce dilemme pourrait être trouvée dans les matériaux supraconducteurs, qui pourraient réduire cette consommation d’énergie de manière exponentielle. Imaginez refroidir un centre de données géant rempli de serveurs en fonctionnement constant jusqu’à presque zéro absolupermettant des calculs à grande échelle avec une efficacité énergétique incroyable.
Percée dans la recherche sur la supraconductivité
Des physiciens de l’Université de Washington et du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) ont fait une découverte qui pourrait contribuer à rendre possible cet avenir plus efficace. Les chercheurs ont découvert un matériau supraconducteur particulièrement sensible aux stimuli extérieurs, permettant d’améliorer ou de supprimer les propriétés supraconductrices à volonté. Cela ouvre de nouvelles opportunités pour les circuits supraconducteurs commutables économes en énergie. Le document a été publié dans Avancées scientifiques.
La supraconductivité est une phase de mécanique quantique de la matière dans laquelle un courant électrique peut traverser un matériau sans résistance. Cela conduit à une parfaite efficacité du transport électronique. Les supraconducteurs sont utilisés dans les électroaimants les plus puissants pour des technologies avancées telles que l’imagerie par résonance magnétique, les accélérateurs de particules, les réacteurs à fusion et même les trains en lévitation. Les supraconducteurs ont également trouvé des utilisations dans l’informatique quantique.
Défis et innovations dans les technologies supraconductrices
L’électronique d’aujourd’hui utilise des transistors semi-conducteurs pour activer et désactiver rapidement les courants électriques, créant ainsi les uns et les zéros binaires utilisés dans le traitement de l’information. Comme ces courants doivent traverser des matériaux dotés d’une résistance électrique limitée, une partie de l’énergie est gaspillée sous forme de chaleur. C’est pourquoi votre ordinateur chauffe avec le temps. Les basses températures nécessaires à la supraconductivité, généralement supérieures à 200 degrés Fahrenheit en dessous de zéro, rend ces matériaux peu pratiques pour les appareils portatifs. Cependant, ils pourraient éventuellement être utiles à l’échelle industrielle.
L’équipe de recherche, dirigée par Shua Sanchez du Université de Washington, a examiné un matériau supraconducteur inhabituel doté d’une accordabilité exceptionnelle. Ce cristal est constitué de feuilles plates d’atomes d’europium ferromagnétiques pris en sandwich entre des couches supraconductrices d’atomes de fer, de cobalt et d’arsenic. Selon Sanchez, la combinaison du ferromagnétisme et de la supraconductivité dans la nature est extrêmement rare, car une phase l’emporte généralement sur l’autre.
« C’est en fait une situation très inconfortable pour les couches supraconductrices, car elles sont percées par les champs magnétiques des atomes d’europium environnants », a déclaré Sánchez. « Cela affaiblit la supraconductivité et entraîne une résistance électrique finie. »
Techniques et résultats de recherche avancés
Pour comprendre l’interaction de ces phases, Sanchez a passé un an en tant que résident dans l’une des principales sources de lumière à rayons X du pays, l’Advanced Photon Source (APS), une installation utilisateur du DOE Office of Science à Argonne. Pendant son séjour, il a bénéficié du soutien du programme de recherche pour étudiants diplômés en sciences du DOE. En collaboration avec des physiciens des lignes de lumière APS 4-ID et 6-ID, Sanchez a développé une plateforme de caractérisation complète capable de sonder les détails microscopiques de matériaux complexes.
En utilisant une combinaison de techniques de rayons X, Sanchez et ses collaborateurs ont pu montrer que l’application d’un champ magnétique au cristal peut réorienter les lignes du champ magnétique de l’europium pour qu’elles soient parallèles aux couches supraconductrices. Cela supprime leurs effets antagonistes et provoque l’émergence d’un état de résistance nulle. Grâce à des mesures électriques et à des techniques de diffusion des rayons X, les scientifiques ont pu confirmer qu’ils pouvaient contrôler le comportement du matériau.
« La nature des paramètres indépendants contrôlant la supraconductivité est assez fascinante, car on pourrait élaborer une méthode complète de contrôle de cet effet », a déclaré Philip Ryan d’Argonne, co-auteur de l’article. « Ce potentiel suggère plusieurs idées fascinantes, notamment la capacité de réguler la sensibilité du champ pour les dispositifs quantiques. »
L’équipe a ensuite appliqué des contraintes au cristal avec des résultats intéressants. Ils ont découvert que la supraconductivité pouvait être soit suffisamment augmentée pour vaincre le magnétisme même sans réorienter le champ, soit suffisamment affaiblie pour que la réorientation magnétique ne puisse plus produire l’état de résistance nulle. Ce paramètre supplémentaire permet de contrôler et de personnaliser la sensibilité du matériau au magnétisme.
« Ce matériau est passionnant car il existe une compétition étroite entre plusieurs phases et, en appliquant une petite contrainte ou un petit champ magnétique, vous pouvez renforcer une phase par rapport à l’autre pour activer et désactiver la supraconductivité », a déclaré Sanchez. « La grande majorité des supraconducteurs ne sont pas aussi facilement commutables. »
