Des scientifiques tracent la voie vers des matériaux qui pourraient révolutionner l’informatique

Bernard Rizk

Imaginez un ordinateur portable qui ne chauffe jamais, un téléphone qui tient sa charge pendant des jours, ou une puce mémoire conçue pour conserver les données de manière permanente, même lors d’une coupure de courant. C’est la possibilité qui se cache au sein d’une famille remarquable de matériaux qu’une équipe de chercheurs de l’Université d’Ottawa et du Massachusetts Institute of Technology (MIT) a passée des années à essayer de comprendre, et ils viennent de publier une feuille de route complète du domaine à ce jour.

Les matériaux topologiques magnétiques se situent au carrefour du magnétisme et de la topologie en physique moderne. La topologie est l’étude mathématique des formes qui ne peuvent pas être déformées continûment les unes dans les autres. Dans ces matériaux, cette idée protège le flux d’électrons d’une manière que les matériaux normaux ne peuvent tout simplement pas.

« Les matériaux topologiques magnétiques offrent une plateforme unique où le magnétisme et la physique quantique travaillent ensemble d’une manière que nous ne commençons qu’à comprendre pleinement. », explique Hang Chi, titulaire de la Chaire de recherche du Canada en dispositifs et circuits électroniques quantiques et professeur adjoint au Département de physique de l’uOttawa. « Cette revue rassemble les avancées les plus significatives du domaine et donne aux chercheurs une base commune sur laquelle construire. »

Cette vaste revue de plus de vingt ans de recherche à travers le monde fournit désormais à la communauté scientifique un point de départ commun.

Le professeur Chi et ses co-auteurs, le Dr Peng Chen et le professeur Jagadeesh S. Moodera du MIT, ont passé en revue les quatre principales familles de ces matériaux, expliquant les effets quantiques intéressants qu’ils produisent, et ont exposé où se trouvent les plus grandes opportunités pour une technologie concrète. L’un des effets les plus frappants est appelé « effet Hall quantique anormal », un état où le courant électrique circule le long des bords d’un matériau avec pratiquement aucune perte d’énergie en l’absence de champ magnétique externe. Atteindre cela de manière fiable et efficace est un jalon que le domaine poursuit depuis des années.

« Ce qui nous enthousiasme le plus, c’est la façon dont ces matériaux peuvent permettre une commutation de l’aimantation induite par courant électrique ou tension avec des efficacités qui dépassent les métaux conventionnels de plusieurs ordres de grandeur, » déclare le professeur Chi. « Cela se traduit directement par des dispositifs plus rapides, plus petits et considérablement plus économes en énergie que ce que nous avons aujourd’hui. »

Le seul problème que les scientifiques doivent encore résoudre

Actuellement, ces effets ne se manifestent que lorsque les matériaux sont refroidis à des températures de quelques fractions de degré au-dessus du zéro absolu. Faire fonctionner ces matériaux à température ambiante est le plus grand défi du domaine. L’étude propose trois voies concrètes : utiliser des ordinateurs puissants et l’intelligence artificielle pour cribler rapidement des milliers de matériaux candidats, ingénier de nouvelles combinaisons de matériaux dans des structures en couches minces, et découvrir des familles entièrement nouvelles de matériaux topologiques magnétiques qui n’ont pas encore été trouvées.

« Nous n’y sommes pas encore, mais nous avons désormais une feuille de route beaucoup plus claire, » ajoute le professeur Chi. « En combinant les progrès en synthèse de matériaux, en criblage computationnel et en apprentissage automatique, nous croyons que les dispositifs topologiques magnétiques à température ambiante sont à portée de main. »

La façon dont nous construisons les ordinateurs et les appareils électroniques approche de ses limites physiques. Les puces deviennent si densément remplies que la chaleur est devenue l’un des plus grands obstacles pour les rendre plus rapides. Les matériaux décrits dans cette revue n’offrent pas seulement une amélioration progressive, ils représentent une approche fondamentalement différente pour déplacer et stocker l’information, une approche qui pourrait rendre les appareils plus froids, plus rapides et bien plus économes en énergie. Au-delà de l’informatique, ces matériaux montrent déjà des promesses précoces dans le matériel d’intelligence artificielle : des circuits physiques qui traitent l’information comme le cerveau humain, plutôt que comme une calculatrice traditionnelle. Dans un monde où les centres de données d’IA consomment de l’électricité à un rythme stupéfiant et croissant, cela compte énormément.

Article : Progress and prospects of magnetic topological materials for spintronic applications – Auteurs : Peng Chen, Hang Chi et Jagadeesh S. Moodera. – Journal : Newton – Méthode : Systematic review – DOI : Lien vers l’étude

Source : Ottawa U.