Un nouveau matériau supraconducteur pourrait être le début d'un Internet beaucoup plus économe en énergie.
On peut jouer au lego atomique de nos jours. De nouveaux matériaux sont désormais conçus à l'échelle minuscule des atomes individuels, en fonction des propriétés recherchées. Un nouveau matériau a ainsi été développé, à la fois ultra-fin et parfaitement conducteur. Cette combinaison de propriétés rapproche une électronique plus compacte et beaucoup plus économique.
Lorsque nous utilisons le cloud pour stocker et partager des fichiers, nous avons parfois tendance à penser qu'ils sont quelque part dans l'air. Mais en réalité, bien sûr, ceux-ci sont traités dans d'immenses centres de données par des ordinateurs très puissants. Le plus grand centre de données d'Europe, 11 terrains de football, est situé dans le nord de la Suède, près du cercle polaire arctique (voir l'image d'ouverture).
Ce lieu n'a pas été choisi au hasard. Nos ordinateurs actuels produisent beaucoup de chaleur. Grâce au climat froid du Grand Nord, la température dans le centre de données peut être mieux contrôlée. Mais cela n'apporte aucune véritable solution au problème :l'énergie qui est convertie en chaleur est malheureusement gaspillée.
Le problème s'aggrave également à mesure que nous connectons de plus en plus d'appareils à Internet, en raison de l'essor de l'Internet des objets , voitures autonomes, etc. Si nous voulons limiter l'empreinte écologique d'Internet à l'avenir, de nouvelles technologies sont nécessaires.
Il faut chercher la raison de l'échauffement des ordinateurs dans les particules qui font fonctionner notre électronique, les électrons. Lorsqu'ils se déplacent à travers le matériau pendant la conduction, ils entrent parfois en collision avec d'autres particules du matériau, perdant de l'énergie sous forme de chaleur.
De manière surprenante, il existe également des matériaux dans lesquels les pertes d'énergie dues aux collisions sont réduites à zéro. Ces matériaux deviennent des supraconducteurs Nommé. Étant donné que la conduction électrique dans les supraconducteurs est efficace à 100 %, ils sont déjà utilisés aujourd'hui dans des applications qui nécessitent des électroaimants très puissants, telles que l'imagerie par résonance magnétique (IRM) dans le domaine médical et les trains à lévitation magnétique à grande vitesse (MAGLEV).
Mais les supraconducteurs offrent également de nouvelles perspectives pour des applications plus petites telles que les nouvelles puces informatiques. L'électronique basée sur des matériaux supraconducteurs peut fonctionner non seulement cent fois plus économiquement, mais aussi mille fois plus vite.
Rendre les nouveaux composants électroniques plus fins et donc plus compacts et plus légers est également un défi important, qui a été abordé dans cette recherche. De nos jours, nous pouvons fabriquer des matériaux aussi fins que quelques atomes ou même un atome.
Le premier matériau d'un seul atome d'épaisseur, le graphène appelé, a été réalisé en 2004. Depuis lors, les matériaux ultra-minces sont au centre de l'intérêt de la physique et de la technologie. Ils présentent l'avantage d'être plus fins et donc plus légers et de pouvoir empiler différentes couches atomiques. Avec un tel Lego atomique, nous pouvons combiner les propriétés des différentes couches, en fonction de l'application souhaitée.
De plus, les propriétés des matériaux dépendent fortement des blocs de construction ou des éléments chimiques à partir desquels ils sont construits. Il existe quatre-vingts éléments chimiques différents avec lesquels nous pouvons fabriquer un nombre presque infini de structures traitant de l'électricité de manières très différentes, des isolants aux supraconducteurs.
Je construis un supraconducteur couche par couche en calculant les propriétés du matériau à chaque étape et en déterminant l'étape suivante à partir de là.
Pour concevoir un nouveau matériau supraconducteur, j'ai pris en compte le mécanisme microscopique responsable de la supraconductivité. C'est la formation de paires d'électrons , qui peut conduire un courant électrique sans entrer en collision avec d'autres particules.
Parce que les électrons sont des particules chargées négativement, deux électrons se repousseraient normalement selon la théorie classique de l'électricité. Dans la supraconductivité, cependant, il existe une colle qui fait que les électrons forment des paires, et qui est fournie par les vibrations des atomes, donc une sorte de musique atomique.
Malheureusement, les paires d'électrons supraconducteurs se décomposent à une température trop élevée, et donc le refroidissement doit être effectué en dessous d'un soi-disant critique température pour rendre le matériau supraconducteur. Cette recherche a donc tenté d'obtenir cette température critique aussi élevée que possible en créant les paires d'électrons les plus fortes possibles.
Ce qui est nouveau dans l'approche ici, c'est que j'ai pleinement pris en compte le comportement des atomes vibrants, des électrons et de l'interaction entre les deux pour concevoir de nouveaux supraconducteurs.
Pour cette description je suis parti des lois fondamentales de la physique quantique, qui décrit le monde des plus petites particules. Parce que la combinaison de toutes les interactions entre les particules est un problème très complexe, j'ai utilisé de puissants superordinateurs dans cette recherche, avec la puissance de calcul de milliers de PC ordinaires.
Je suis donc arrivé à un nouveau matériau composé d'une couche de l'élément bore et d'une couche de magnésium comme nouveau supraconducteur. Étonnamment, celui-ci contient trois types différents de paires d'électrons, qui dansent d'une manière différente sur la musique des atomes. J'ai montré que la supraconductivité dans ce nouveau matériau est plus forte que dans d'autres matériaux ultrafins en raison de l'interaction des différentes paires d'électrons.
L'ajout d'une autre couche de l'élément chimique le plus léger, l'hydrogène, a fait sonner la musique atomique comme des accords de vibrations différentes, amplifiant davantage la supraconductivité. Par exemple, j'ai pu élever la température critique à 100 degrés au-dessus de la température la plus basse possible, le zéro absolu (-273 °C).
Cela semble toujours très froid, bien sûr, mais le refroidissement du supraconducteur est maintenant beaucoup plus facile, car des méthodes moins chères et plus facilement applicables peuvent être utilisées. Ce matériau nouvellement conçu, d'une épaisseur de seulement trois couches atomiques, est l'un des meilleurs supraconducteurs ultra-minces au monde.
Entre-temps, les prédictions ont également été testées expérimentalement – pour le moment sans hydrogène. Les électrons supraconducteurs ont été imagés à l'aide de la lumière générée dans un accélérateur de particules. Parce que cette expérience a confirmé les prédictions les plus importantes, la voie est maintenant ouverte pour développer des applications pour une nouvelle électronique super-efficace.
Pour ses recherches sur un nouveau matériau de conception atomique, Jonas Bekaert (Physique, Université d'Anvers, FWO) a été nominé pour la Flemish PhD Cup 2018. Vous pouvez voter ICI.
