Ces photos ont été prises avec un microscope à effet tunnel. À gauche : fractale de bismuth (jaune) formée sur de l'antimoniure d'indium (marron). Les atomes individuels sont visibles ici. À droite : la densité locale des électrons dans une fractale. Crédit : Université d'Utrecht
Les fractales pourraient résoudre le gaspillage d’énergie dans le traitement de l’information.
Les isolateurs topologiques, capables de transmettre l'électricité sans perte, peuvent fonctionner dans des dimensions fractionnaires telles que 1,58. Cette avancée, combinée à une opérabilité à température ambiante, ouvre la voie à des avancées dans l'informatique quantique et l'efficacité énergétique grâce aux structures fractales.
Et si nous pouvions trouver un moyen de faire circuler le courant électrique sans perte d'énergie ? Une approche prometteuse consiste à utiliser des matériaux appelés isolants topologiques. On sait qu'ils existent en une (fil), deux (feuille) et trois (cube) dimensions, chacun avec différentes applications possibles dans les appareils électroniques. Des physiciens théoriciens de l'Université d'Utrecht, en collaboration avec des expérimentateurs de l'Université Jiao Tong de Shanghai, ont découvert que les isolants topologiques peuvent également exister en 1,58 dimension, et qu'ils pourraient être utilisés pour un traitement de l'information économe en énergie. Leur étude a été publiée récemment dans Physique de la nature.
Les bits classiques, unités de fonctionnement des ordinateurs, sont basés sur des courants électriques : un électron en mouvement équivaut à 1, et aucun électron en mouvement équivaut à 0. Avec une combinaison de 0 et de 1, on peut construire tous les appareils que vous utilisez dans votre vie quotidienne, des téléphones portables aux ordinateurs. Cependant, en fonctionnant, ces électrons rencontrent des défauts et des impuretés dans le matériau et perdent de l'énergie. C'est ce qui se passe lorsque votre appareil chauffe : l'énergie est convertie en chaleur et votre batterie se vide donc plus rapidement.
Un nouvel état de la matière
Les isolants topologiques sont des matériaux spéciaux qui permettent la circulation d'un courant sans perte d'énergie. Ils n'ont été découverts qu'en 1980, et leur découverte a été récompensée par un prix Nobel. Elle a révélé un nouvel état de la matière : à l'intérieur, les isolants topologiques sont isolants, tandis qu'à leurs limites, des courants circulent. Cela les rend très adaptés à une application dans les technologies quantiques et pourrait réduire considérablement la consommation mondiale d'énergie. Il y avait juste un problème : ces propriétés n'ont été découvertes qu'en présence de champs magnétiques très puissants et de températures très basses, autour de moins 270 degrés. Celsiusce qui les rendait impropres à un usage quotidien.
Au cours des dernières décennies, des progrès significatifs ont été réalisés pour surmonter ces limitations. En 2017, des chercheurs ont découvert qu'uneatome-Une couche épaisse de bismuth a montré toutes les propriétés souhaitées à température ambiante, sans la présence d'un champ magnétique. Cette avancée a rapproché de la réalité l'utilisation d'isolants topologiques dans les appareils électroniques.
Des structures fractales peuvent également être trouvées dans la nature, comme dans le brocoli Romanesco.
Exploration des dimensions fractales dans la technologie quantique
En 2022, le consortium QuMAT a reçu une subvention de plus de 20 millions d’euros du programme Gravitation. Dans ce consortium, des physiciens théoriciens de l’Université d’Utrecht et des expérimentateurs de l’Université Jiao Tong de Shanghai ont montré que de nombreux états sans perte d’énergie pourraient exister quelque part entre une et deux dimensions. À 1,58 dimension, par exemple.
Il peut être difficile d’imaginer des dimensions de 1,58, mais l’idée est plus familière que vous ne le pensez. De telles dimensions peuvent être trouvées dans des structures fractales, telles que vos poumons, le réseau de neurones de votre cerveau ou le chou romanesco. Ce sont des structures qui évoluent différemment des objets normaux, appelées « structures auto-similaires » : si vous zoomez, vous verrez la même structure encore et encore.
Innover à la pointe de la technologie : les états topologiques fractals
En faisant croître un élément chimique (le bismuth) sur un semi-conducteur (l'antimoniure d'indium), les scientifiques chinois ont obtenu des structures fractales qui se sont formées spontanément en faisant varier les conditions de croissance. Les scientifiques d'Utrecht ont ensuite démontré théoriquement que, à partir de ces structures, des modes de coin à zéro dimension et des états de bord à une dimension sans perte ont émergé.
« En observant entre les dimensions, nous avons trouvé le meilleur des deux mondes », explique Cristiane Morais Smith, qui dirige les recherches théoriques à l’Université d’Utrecht. « Les fractales se comportent comme des isolants topologiques bidimensionnels à des énergies finies et présentent en même temps, à énergie nulle, un état dans ses coins qui pourrait être utilisé comme qubit, les éléments de base des ordinateurs quantiques. Cette découverte ouvre donc de nouvelles voies vers les qubits tant attendus. »
Le pouvoir de l'intuition dans la découverte scientifique
Il est intéressant de noter que cette découverte est le fruit d’une intuition. « Lorsque j’ai visité l’Université Jiao Tong de Shanghai et que j’ai vu les structures produites par le groupe, j’étais très enthousiaste », explique Morais Smith. « Mon intuition me disait que les structures devaient présenter toutes les propriétés souhaitées. »
Elle est ensuite retournée à Utrecht et a discuté du problème avec ses étudiants, qui étaient très intéressés par les calculs. Avec l'aide de l'étudiant en master Robert Canyellas, de son ancien doctorant Rodrigo Arouca (aujourd'hui à l'Université d'Uppsala) et de l'actuel doctorant Lumen Eek, l'équipe théorique a réussi à expliquer les expériences et à confirmer les nouvelles propriétés.
Dimensions inexplorées
Dans le cadre de recherches ultérieures, le groupe expérimental en Chine tentera de développer un supraconducteur sur la structure fractale. Ces fractales comportent de nombreux trous et des courants sans perte circulent autour de bon nombre d'entre eux. Ces derniers pourraient être utilisés pour un traitement de l'information économe en énergie.
Selon Morais Smith, les structures présentent également des modes à énergie nulle dans leurs coins, combinant ainsi le meilleur des mondes unidimensionnel et bidimensionnel. « Si cela fonctionne, cela pourrait révéler encore plus de secrets inattendus cachés dans la dimension 1,58 », dit-elle. « Les caractéristiques topologiques des fractales montrent vraiment la richesse de l’exploration de dimensions inexplorées. »
