Le magnésium est un élément chimique commun, un métal terrestre alcalin, qui est très réactif chimiquement et est très léger (même plus léger que l'aluminium). Le magnésium est abondant dans les plantes et les minéraux et joue un rôle dans la physiologie humaine et le métabolisme. Dans le cosmos, il est produit par de grandes étoiles vieillissantes.
Parmi ses propriétés physiques, bien qu'elle soit un bon conducteur d'électricité, le magnésium n'est pas connu pour être un supraconducteur. Les supraconducteurs sont des matériaux particulièrement prometteurs avec le potentiel de révolutionner la transmission d'énergie, l'imagerie médicale et l'informatique quantique, et sont définies par leur capacité à conduire l'électricité sans résistance en dessous d'une certaine température critique.
Récemment, avec mon collègue Giovanni Ummarino de Turin Polytechnic, j'ai commencé à contester le paradigme du manuel qui indique que certains éléments du tableau périodique peuvent être des supraconducteurs. En particulier, mon collègue et moi avons montré que le phénomène de confinement quantique peut transformer des éléments non supercencants en supraconducteurs. Nos recherches sont publiées dans Affaire condensée.
Ici, par confinement quantique, je veux dire le phénomène dans lequel l'énergie d'une particule quantique, comme un électron, peut considérablement augmenter lorsqu'elle est confinée spatialement, un effet qui est finalement dû au principe d'incertitude de Heisenberg – plus vous contrainez la position spatiale d'une particule quantique, plus ses fluctuations énergétiques deviennent plus grandes.
Dans nos travaux précédents, mon collègue et moi avons montré que cela s'applique à des métaux nobles tels que l'or, le cuivre et l'argent, que nous avons prédit de devenir des supraconducteurs lorsqu'ils sont transformés en feuilles très minces d'environ un demi-nanomètre en épaisseur.
Maintenant, nos calculs prédisent que même le magnésium peut devenir un supraconducteur lorsqu'il est transformé en films ultra-minces d'épaisseur inférieure à 1 nanomètre (un milliard de mètres). Les calculs n'ont pas de paramètres réglables et utilisent des calculs AB-Initio de la structure électronique et du réseau du matériau. La quantité clé prévue est la température critique à laquelle le matériau passe d'un métal normal à un supraconducteur, et est évalué en fonction de l'épaisseur du film.
Étonnamment, dans ce cas, la température critique qui peut être atteinte en miniaturisant des nano-feuilles de magnésium d'une épaisseur d'environ un demi-nanomètre est aussi élevée que 10 Kelvin. C'est une considération importante car cela signifie que l'hélium liquide peut être utilisé pour refroidir le matériau pour obtenir la supraconductivité au lieu d'utiliser des technologies de refroidissement beaucoup plus coûteuses.
En effet, la technologie de refroidissement de l'hélium liquide peut être utilisée jusqu'à 4,5 Kelvin, permettant ainsi le refroidissement des feuilles ultra-minces de magnésium pour observer l'effet prévu. Cette prédiction, si elle est confirmée expérimentalement, peut transformer radicalement les technologies actuelles utilisées pour l'électronique quantique et les informations quantiques et réduire leur impact environnemental.
Cela est évident si vous considérez que le matériau le plus courant actuellement utilisé pour fabriquer des qubits (l'unité fondamentale de l'information, similaire à un peu dans l'informatique classique, mais peut exister dans une superposition d'états, ce qui signifie qu'elle peut représenter 0, 1, ou les deux simultanément) est en aluminium, qui a une température critique de 1,6 Kelvin, donc en dessous de la température de l'hélium liquide.
Si notre prédiction est confirmée, l'utilisation du magnésium au lieu de l'aluminium pourrait conduire à des technologies beaucoup plus durables pour l'informatique quantique.
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