Un nouveau matériau supraconducteur ultra-fin pave la voie vers un Internet bien plus économe en énergie.
Aujourd'hui, il est possible de concevoir des matériaux à l'échelle atomique, comme un Lego géant, en assemblant des atomes individuels selon les propriétés désirées. Des chercheurs ont ainsi développé un matériau à la fois ultra-fin et parfaitement conducteur, ouvrant la porte à une électronique plus compacte et radicalement plus efficace.
Quand nous stockons ou partageons des fichiers dans le cloud, nous imaginons souvent qu'ils flottent quelque part dans les airs. En réalité, ils sont traités dans d'immenses centres de données par des supercalculateurs. Le plus grand d'Europe, couvrant 11 terrains de football, se trouve dans le nord de la Suède, près du cercle polaire arctique (voir image d'ouverture).
Ce choix n'est pas anodin : les ordinateurs actuels génèrent énormément de chaleur. Le climat froid du Grand Nord facilite le refroidissement, mais ne résout pas le problème fondamental : l'énergie convertie en chaleur est perdue.
Avec la multiplication des objets connectés (IoT), voitures autonomes et autres, l'empreinte écologique d'Internet explose. De nouvelles technologies s'imposent pour la limiter.
La chaleur des circuits provient des électrons qui, en se déplaçant, heurtent les atomes du matériau et perdent de l'énergie sous forme de chaleur.
Certaines matériaux, dits supraconducteurs, éliminent ces collisions. La conduction y est parfaite, sans perte. Ils servent déjà dans les IRM ou les trains Maglev à grande vitesse.
Pour l'électronique de demain, ils promettent des puces 100 fois plus économes et 1 000 fois plus rapides.
Rendre les composants plus fins est crucial pour plus de compacité. On fabrique désormais des matériaux d'un ou quelques atomes d'épaisseur.
Le graphène, premier monocouche atomique isolé en 2004, a ouvert la voie. Ces matériaux 2D sont légers, empilables et combinables pour des propriétés sur mesure.
Avec 80 éléments chimiques, les possibilités sont infinies, des isolants aux supraconducteurs.
Je construis ces supraconducteurs couche par couche, en calculant leurs propriétés à chaque étape pour optimiser la suivante.
La supraconductivité repose sur la formation de paires d'électrons qui circulent sans collisions, grâce aux vibrations atomiques – une véritable 'musique atomique'.
Normalement, les électrons se repoussent ; ici, les vibrations les lient. Mais les paires se brisent à haute température, d'où le besoin de refroidissement sous la température critique.
Mon approche maximise cette température en renforçant les paires, en modélisant vibrations, électrons et leurs interactions via la physique quantique et des superordinateurs.
J'ai conçu un supraconducteur à base de bore et magnésium, avec trois types de paires d'électrons interagissant pour une supraconductivité record.
Ajouter une couche d'hydrogène amplifie les vibrations, portant la température critique à 100 °C au-dessus du zéro absolu (-173 °C).
Toujours froid, mais accessible avec des méthodes de refroidissement abordables. Ce matériau de trois atomes d'épaisseur est parmi les meilleurs supraconducteurs 2D mondiaux.
Les prédictions ont été validées expérimentalement (sans hydrogène) via un accélérateur de particules, confirmant les paires d'électrons. La voie est libre pour des applications en électronique ultra-efficace.
Pour ces travaux sur un supraconducteur atomique, Jonas Bekaert (Physique, Université d'Anvers, FWO) est nominé à la Flemish PhD Cup 2018. Votez ICI.
