La métallurgie quantique pourrait ouvrir une nouvelle voie aux matériaux supraconducteurs et aux neurones artificiels

L’avènement d’une métallurgie à l’échelle atomique

Depuis que l’humanité a commencé à utiliser les métaux, les métallurgistes et les forgerons ont ajusté et contrôlé les propriétés de leurs matériaux avec des températures appropriées et de bons coups de marteau. Une question se pose alors : que se passerait-il si la prochaine génération de matériaux pouvait bénéficier d’une approche similaire à l’échelle quantique ? Une équipe de chercheurs avance précisément cette idée.

Dans les métaux, les électrons sont pour la plupart libres de se déplacer à leur guise, ce qui confère à ces éléments leurs propriétés conductrices. Au moment où les matériaux métalliques sont refroidis, les électrons peuvent s’organiser en ondes de densité de charge, qui ressemblent à de petits amas bien ordonnés. Les chercheurs ont démontré que ces amas peuvent se comporter comme des cristaux, les électrons formant alors une distribution espacée de manière régulière.

Le comportement fascinant des électrons dans le sulfure de tantale

« Les cristaux d’électrons ne sont normalement pas la façon dont nous concevons ces choses, mais les ondes de densité de charge ont fasciné les scientifiques pendant de nombreuses générations, remontant au moins aux années 70, plus tôt que cela en théorie, mais expérimentalement depuis ces 50 dernières années », a déclaré à IFLScience l’auteur correspondant Robert Hovden, professeur associé de science des matériaux à l’Université du Michigan. « Être capable de contrôler, manipuler et comprendre pleinement ces ondes de densité de charge reste un défi. »

Face à l’élaboration de nouveaux matériaux, l’observation des propriétés de leurs électrons devient incontournable. La réorganisation des électrons peut transformer un matériau conducteur en un isolant, voire offrir d’autres possibilités. La manipulation de ces cristaux d’électrons pourrait permettre de débloquer de meilleurs matériaux. C’est pourquoi l’équipe s’est penchée sur le comportement d’un cristal d’électrons bidimensionnel dans le sulfure de tantale.

La fusion bidimensionnelle au cœur de l’expérience

L’action menée par les scientifiques semble être analogue à une fusion ordinaire, d’où l’émergence de l’idée de métallurgie quantique. Plutôt que de faire fondre le matériau lui-même, ils ont uniquement fait fondre les cristaux d’électrons à l’intérieur. En raison de cette méthode, seules les propriétés électroniques de l’élément ont changé, et ce, de manières très intéressantes.

« Il y a deux choses vraiment formidables que nous avons montrées dans ce travail. Tout d’abord, que ces ondes de densité de charge sont peut-être mieux considérées comme des cristaux chargés lorsque les électrons forment leur propre cristal », a indiqué Robert Hovden à IFLScience, « et que ces cristaux, ils fondent. Et en deux dimensions, ils fondent d’une manière qui est propre à la fusion bidimensionnelle. »

Le scientifique souligne l’importance d’un aspect précis de la démarche expérimentale menée par son équipe. « L’accent principal ici est que le désordre est un paramètre vraiment important. C’est cette chose ajustable lorsque nous jouons avec les phases quantiques », a-t-il précisé.

Des supraconducteurs aux futures applications informatiques

La modification de la structure des cristaux d’électrons suscite un intérêt notable. Dans les supraconducteurs, des matériaux qui transportent l’électricité sans résistance, l’état supraconducteur peut coïncider avec des changements au niveau des ondes de densité de charge. « Lorsque nous faisons de la science fondamentale dans ces matériaux vraiment exotiques et ces phases exotiques, de nouvelles innovations spectaculaires se produisent », a déclaré Robert Hovden à IFLScience. « Les révolutions technologiques comme le semi-conducteur, le transistor et l’ordinateur se sont produites parce que nous avons fait de la science fondamentale sur les structures atomiques, sur les atomes, sur la matière. »

Le passage entre l’état de conducteur et celui d’isolant correspond à la façon dont les neurones, les cellules du cerveau, transmettent les signaux électriques. La capacité d’avoir un matériau capable de réaliser cette opération à volonté pourrait mener à des neurones artificiels pour les applications informatiques. Cette avancée pourrait par la même occasion aider dans la quête continue pour trouver un supraconducteur qui fonctionne à des températures plus élevées, afin que nous puissions l’utiliser dans la vie de tous les jours.

Une propriété étendue à de nombreux métaux

L’équipe de recherche ne s’est pas arrêtée à une seule observation et a examiné les modèles de diffraction des électrons dans 28 études portant sur d’autres métaux avec des ondes de densité de charge. L’objectif était de voir s’il y avait également des preuves de fusion de ces cristaux d’électrons à travers d’autres données scientifiques.

Les résultats ont montré que c’était le cas dans presque tous les métaux en deux dimensions qu’ils ont vérifiés et dans plusieurs métaux en trois dimensions. Ces observations suggèrent qu’il pourrait s’agir d’une propriété commune susceptible de nous donner accès à une nouvelle façon d’ajuster les matériaux. Un article décrivant les résultats est publié dans la revue Matter.

Selon la source : iflscience.com