Conception de nouveaux matériaux quantiques sur ordinateur
"Tout porte à croire que nous avons trouvé un moyen efficace d'identifier les matériaux qui présentent les caractéristiques que nous recherchons".
Un nouveau principe de conception permet désormais de prédire les propriétés de matériaux quantiques qui n'ont guère été explorés jusqu'à présent. Pour la première fois, un semi-métal topologique fortement corrélé a été découvert à l'aide d'un ordinateur.
Le nouveau matériau : Ce2Au3In5
TU Wien
Comment trouver de nouveaux matériaux dotés de propriétés très spécifiques - par exemple, des propriétés électroniques particulières qui sont nécessaires pour les ordinateurs quantiques ? Il s'agit généralement d'une tâche très complexe : différents composés sont créés, dans lesquels des atomes potentiellement prometteurs sont disposés dans certaines structures cristallines, puis le matériau est examiné, par exemple dans le laboratoire à basse température de l'Université de Vienne.
Aujourd'hui, une coopération entre l'université Rice (Texas), la TU Wien et d'autres institutions de recherche internationales a permis de trouver des matériaux appropriés sur ordinateur. De nouvelles méthodes théoriques sont utilisées pour identifier les candidats particulièrement prometteurs parmi le grand nombre de matériaux possibles. Des mesures effectuées à la TU Wien ont ensuite montré que les matériaux ont effectivement les propriétés requises et que la méthode fonctionne. Il s'agit d'une avancée importante pour la recherche sur les matériaux quantiques. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Physics.
Semi-métaux topologiques
L'université Rice au Texas et la TU Wien ont déjà collaboré avec beaucoup de succès ces dernières années dans la recherche de nouveaux matériaux quantiques aux propriétés très particulières : en 2017, les deux groupes de recherche ont présenté le premier soi-disant "semi-métal de Weyl-Kondo" - un matériau qui pourrait potentiellement jouer un rôle important dans la recherche sur les technologies informatiques quantiques.
"Les électrons d'un tel matériau ne peuvent pas être décrits individuellement", explique le professeur Silke Bühler-Paschen de l'Institut de physique des solides de la TU Wien. "Il existe de très fortes interactions entre ces électrons, ils interfèrent les uns avec les autres comme des ondes selon les lois de la physique quantique, et en même temps ils se repoussent les uns les autres à cause de leur charge électrique."
C'est précisément cette forte interaction qui conduit à des excitations des électrons, qui ne peuvent être décrites qu'à l'aide de méthodes mathématiques très élaborées. Dans les matériaux étudiés actuellement, la topologie joue également un rôle important - c'est une branche des mathématiques qui traite des propriétés géométriques qui ne sont pas modifiées par une déformation continue, comme le nombre de trous dans un beignet, qui reste le même même même si le beignet est légèrement pressé.
De la même manière, les états électroniques d'un matériau peuvent rester stables même si le matériau est légèrement perturbé. C'est précisément pourquoi ces états sont si utiles pour des applications pratiques telles que les ordinateurs quantiques.
Utiliser l'ordinateur pour identifier les candidats possibles
Il est impossible de calculer le comportement de tous les électrons à forte interaction dans le matériau : aucun superordinateur au monde n'en est capable. Mais sur la base des résultats précédents, il a été possible de développer un principe de conception qui utilise des calculs de modèles simplifiés combinés à des considérations de symétrie mathématique et à une base de données de matériaux connus pour fournir des suggestions quant aux matériaux qui pourraient avoir les propriétés topologiques attendues en théorie.
"Cette méthode a fourni trois de ces candidats, et nous avons ensuite produit l'un de ces matériaux et l'avons mesuré dans notre laboratoire à basse température", explique Silke Bühler-Paschen. "Et effectivement, ces premières mesures indiquent qu'il s'agit d'un semi-métal topologique hautement corrélé - le premier à être prédit sur une base théorique à l'aide d'un ordinateur."
Une clé importante du succès a été d'exploiter les symétries du système d'une manière intelligente : "Ce que nous avons postulé, c'est que les excitations fortement corrélées sont toujours soumises à des exigences de symétrie. Grâce à cela, je peux en dire beaucoup sur la topologie d'un système sans avoir recours aux calculs ab initio qui sont souvent nécessaires mais qui sont particulièrement difficiles pour étudier les matériaux fortement corrélés", explique Qimiao Si de l'université Rice. "Tout porte à croire que nous avons trouvé un moyen robuste d'identifier les matériaux qui présentent les caractéristiques que nous recherchons."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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