Les nouveaux matériaux quantiques promettent des innovations inimaginables en informatique et en mémoire

Un physicien de Purdue travaille à jeter les bases du nouvel âge quantique

WEST LAFAYETTE, Indiana — Pour construire quelque chose de fantastique, vous avez besoin de blocs de construction fantastiques. C’est exactement ce que créent les physiciens : de nouveaux matériaux, dotés de qualités inimaginables dans notre monde actuel.

Erica Carlson, professeure de physique et d’astronomie à l’occasion du 150e anniversaire du Collège des sciences de l’Université Purdue et membre du Purdue Quantum Science and Engineering Institute, est l’une des physiciennes qui travaillent au développement de matériaux quantiques pour concevoir les technologies futures dans les domaines de l’informatique, de la construction, médecine, ingénierie et plus encore.

Les matériaux quantiques semblent futuristes, mais ils incluent des matériaux aussi fondamentaux que le fer magnétisé. Les matériaux quantiques produisent des particules exotiques, et donc des comportements, qui seraient impossibles dans le monde entier.

« C’est comme un nouvel univers à l’intérieur de ces matériaux quantiques où vous pouvez obtenir des particules que vous ne pourriez pas extraire dans la nature », a déclaré Carlson.

L’avènement d’un nombre croissant de matériaux de plus en plus exceptionnels lance une nouvelle vague d’innovation, rendant possibles des technologies futures inimaginables. La recherche quantique est l’un des quatre piliers clés de l’initiative Purdue Computes, qui met l’accent sur le vaste environnement technologique et informatique de l’université.

INFORMATIONS COMPLÉMENTAIRES

Carlson est un expert en matériaux quantiques qui travaille avec Innovation in Quantum Pedagogy and its Relation to Culture (IQ-PARC), un projet financé par le ministère de la Défense, pour créer des vidéos mettant en évidence les subtilités de la physique quantique et les possibilités d’un avenir quantique. Carlson exploite son acuité en physique théorique et en modèles mathématiques pour explorer les propriétés des matériaux quantiques et de leurs nouvelles particules exotiques.

Les particules de notre univers peuvent se déplacer dans trois dimensions. Grâce aux lois de la physique, cela signifie qu’ils peuvent être soit des fermions – comme les quarks, les électrons et les neutrons – soit des bosons, comme les photons, les gravitons ou bien sûr le boson de Higgs. Les particules sont strictement binaires : c’est soit l’une soit l’autre et jamais rien entre les deux.

Cependant, les matériaux quantiques rejettent cette réalité et créent la leur. Un matériau quantique est comme son propre petit monde autonome. À l’intérieur de ce matériau, les particules ne sont pas obligées de suivre les règles du reste de l’univers. Nous pouvons trouver des particules exotiques qui n’existent pas ailleurs, comme des spinons, des holons, des vortex et des skyrmions, dont chacun se comporte d’une manière que les particules ordinaires ne peuvent pas. Les matériaux quantiques appelés glace de spin hébergent des monopôles magnétiques, longtemps recherchés dans l’univers naturel mais jamais trouvés. Les interfaces matérielles quantiques peuvent même héberger des particules qui se situent quelque part entre les fermions et les bosons, elles peuvent donc être n’importe quoi, c’est pourquoi les physiciens les appellent anyons.

Chaque type de particule peut faire des choses fondamentalement différentes, ce qui signifie que la technologie actuelle exploite les fermions et les bosons pour différentes tâches. Les bosons sont utiles pour transmettre des informations à distance : ils sont utilisés dans le Wi-Fi, la technologie Bluetooth, les câbles à fibres optiques, les téléphones portables et les satellites. En revanche, les fermions comme les électrons fonctionnent mieux pour le stockage et le calcul d’informations locales.

Le zoo de nouvelles particules à l’intérieur des matériaux quantiques pourrait s’avérer avoir des utilités totalement inimaginables et constituer la base de tout nouveaux domaines scientifiques et technologiques. Certains sont déjà utilisés dans des appareils tels que des ordinateurs quantiques et des appareils médicaux. D’autres ne font que rêver.

« C’est ce qui est vraiment amusant avec les matériaux quantiques : cela ressemble à de la magie », a déclaré Carlson.

Carlson utilise son expertise en modélisation physique et mathématique pour expliquer les propriétés fondamentales de ces éléments de base que d’autres scientifiques, ingénieurs et inventeurs utiliseront pour construire de nouveaux domaines vertigineux de science, de technologie, d’exploration et d’application. Les matériaux quantiques peuvent former l’intérieur des appareils électroménagers et des appareils intelligents. Mais ils peuvent également former le revêtement des vaisseaux spatiaux, protéger les humains des dangers environnementaux et même modifier les bases de ce qu’il est physiquement possible d’accomplir pour les ingénieurs.

« Ce qui est formidable dans le fait d’être humain, c’est que nous sommes imaginatifs ; nous sommes créatifs », a déclaré Carlson. « Lorsque de nouvelles technologies et de nouveaux matériaux se développent, nous ne savons pas toujours ce qu’ils nous apporteront. Nous n’avons pas toujours de feuille de route. C’est à la créativité des gens de trouver quoi faire avec ces nouvelles choses. C’est comme la palette de pigments d’un artiste, et chaque fois que nous donnons à cet artiste un nouveau matériau quantique, c’est comme s’il avait une nouvelle couleur avec laquelle peindre. Personne ne peut prédire ce que tous les inventeurs feront avec ces nouvelles capacités offertes par les matériaux quantiques, mais je suis convaincu que l’ingéniosité humaine en tirera de grandes choses.

À propos de l’Université Purdue

L’Université Purdue est un établissement de recherche public faisant preuve d’excellence à grande échelle. Classée parmi les 10 meilleures universités publiques et avec deux collèges parmi les quatre premiers aux États-Unis, Purdue découvre et diffuse des connaissances avec une qualité et une échelle sans égal. Plus de 105 000 étudiants étudient à Purdue selon toutes les modalités et tous les lieux, dont près de 50 000 en personne sur le campus de West Lafayette. Engagé en faveur de l’abordabilité et de l’accessibilité, le campus principal de Purdue a gelé les frais de scolarité 13 années de suite. Découvrez comment Purdue ne s’arrête jamais dans la poursuite persistante du prochain pas de géant, y compris son premier campus urbain complet à Indianapolis, la nouvelle Mitchell E. Daniels, Jr. School of Business et Purdue Computes, sur https://www.purdue. edu/président/initiatives-stratégiques.

Contact écrivain/média : Bretagne Steff, bsteff@purdue.edu

Source: Erica Carlson, ewcarlson@purdue.edu