Le diamant d’une bague de fiançailles, le matériau révolutionnaire qu’est le graphène et le « plomb » d’un simple crayon sont tous formés de carbone, mais présentent des caractéristiques profondément différentes. Les matériaux à base de carbone comme ceux-ci sont parmi les exemples les plus célèbres de la manière dont des propriétés diverses peuvent émerger dans les matériaux, basées uniquement sur la réorganisation de la structure des atomes.
Le but du Centre RIKEN pour la Science des Matières Émergentes (CEMS) à Saitama, au Japon, est de développer des matériaux pour de nouvelles technologies écoénergétiques.
L’approche habituelle pour synthétiser de nouveaux matériaux consiste à rechercher des propriétés améliorées telles que la résistance et la durabilité, ou une conduction améliorée de l’électricité et de la chaleur. Mais le CEMS préconise une approche alternative qui renverse cette approche standard.
Une nouvelle approche pour la conception de matériaux
En premier lieu, les chercheurs du CEMS pensent aux propriétés nécessaires pour un nouveau dispositif, utilisent les données du nouveau répertoire et de la plateforme de simulation de RIKEN pour calculer la structure atomique qui fournit ces caractéristiques, puis construisent le matériau sur mesure.
Le CEMS travaille à réduire la taille des composants électroniques, mais les ingénieurs rencontrent de nombreuses limites en matière de réduction de taille. Par exemple, prenons un « inducteur », un composant standard que l’on trouve dans des dispositifs tels que les smartphones. Ces bobines de fil contrôlent le flux de courant électrique dans un circuit en le stockant sous forme d’énergie de champ magnétique.
Les défis de la miniaturisation
À première vue, les physiciens pourraient supposer que l’inducteur peut être rendu plus petit en réduisant la taille de la bobine, mais cela diminue sa capacité à stocker de l’énergie. Il y a quelques années, les physiciens du CEMS ont trouvé une solution innovante. Ils ont réalisé qu’une propriété particulière de certains matériaux magnétiques exotiques pourrait imiter un inducteur, sans avoir besoin d’un fil.
Une autre technologie minuscule et tordue étudiée au CEMS pourrait aider à révolutionner le stockage de la mémoire dans l’électronique. Il s’agit des skyrmions – des nœuds sphériques d’électrons orientés de telle sorte que leurs spins pointent tous vers l’extérieur, un peu comme un hérisson enroulé. Ces configurations sont très stables car elles ne se déroulent que lorsque de l’énergie supplémentaire est introduite dans le système.
En synthèse
Les skyrmions agissent comme des particules car ils sont faciles à déplacer avec un champ magnétique externe et sont difficiles à détruire. Cela en fait un outil attrayant pour le stockage de l’information, qui serait codée dans la position du skyrmion. Comme ils sont si stables, ils sont également robustes contre les erreurs et la corruption de la mémoire.
De plus, ils sont minuscules : un skyrmion peut être plus petit que le centième d’un micromètre, ce qui signifie que vous pouvez emballer 10 000 skyrmions dans seulement 1 μm2 (micromètre carré), soit un dixième à un centième de la largeur d’un cheveu humain. Cela permettrait un stockage de mémoire de très haute densité et des dispositifs de stockage de mémoire plus petits.
Cependant, il reste des obstacles à surmonter. Par exemple, les héliomagnètes ne fonctionnent qu’en dessous du régime des mégahertz, mais des dispositifs tels que les téléphones portables fonctionnent à des fréquences beaucoup plus élevées, dans la gamme des gigahertz. De plus, jusqu’à présent, les physiciens ont pu manipuler facilement les skyrmions dans des matériaux avec des densités plus faibles de ces nœuds d’électrons, mais pas dans les nœuds de haute densité qui les intéressent le plus.
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Le CEMS met en place une nouvelle plateforme numérique pour rendre ce processus plus efficace en combinant systématiquement les données des expériences de laboratoire avec les simulations sur superordinateur via une plateforme en ligne accessible depuis RIKEN. L’objectif est de faciliter la tâche des scientifiques qui commencent par une vision du dispositif dont ils ont besoin et travaillent à rebours pour créer le matériau sur mesure qui correspond à leurs exigences.
Boîte : Un voyage dans l’avenir de la science des matériaux
| Il n’existe qu’environ 80 types d’éléments avec lesquels l’homme peut jouer en laboratoire lorsqu’il tente de concevoir de nouveaux composants pour des appareils. Mais les atomes de ces 80 éléments peuvent être réarrangés pour concevoir un nombre presque infini de nouveaux matériaux, ce qui signifie que l’étude de ces matériaux nécessite des quantités de données époustouflantes. C’est dans cette optique que le Center for Emergent Matter Science (CEMS) du RIKEN contribue à la promotion de « TRIP« , ou « Transformative Research Innovation Platform of RIKEN Platforms », une initiative à l’échelle du RIKEN visant à relier les différentes plateformes de données au sein du RIKEN afin de développer de nouveaux paradigmes scientifiques. Le CEMS participe à cette initiative par le biais d’un référentiel qui combine les connaissances acquises lors d’expériences en laboratoire réel avec des simulations des propriétés prédites des matériaux réalisées par des superordinateurs. L’intelligence artificielle (IA) peut alors être exploitée pour aider à concevoir de nouveaux matériaux utiles basés sur les propriétés recherchées, que les scientifiques peuvent ensuite synthétiser. Takahisa Arima, directeur adjoint du CEMS, explique que, bien qu’il soit basé sur la physique, le projet s’inspire de la biologie, où l’IA a connu un succès considérable ces dernières années en prédisant correctement la façon dont les protéines se replieront, ce qui constituait autrefois l’un des plus grands problèmes en suspens pour les biologistes. « Mais le défi pour la science des matériaux est beaucoup plus difficile à relever, car les éléments constitutifs sont beaucoup plus nombreux« , explique M. Arima. Tourné vers l’avenir, le projet TRIP vise à inclure des simulations et des prédictions réalisées par des ordinateurs quantiques – des machines en cours de développement qui ont le potentiel de surpasser les superordinateurs d’aujourd’hui – pour résoudre ces problèmes. « Nous sommes les pionniers de la transformation numérique de la science« , déclare M. Arima. En grandissant, Arima avait une ambition très différente. « Je voulais devenir météorologue et prévoir le temps. Mais j’ai changé d’avis à l’université, lorsque j’ai réalisé combien de facteurs complexes entraient en jeu lorsqu’on essayait de prédire – et encore plus de manipuler – la trajectoire d’un typhon, par exemple« , explique-t-il. « En revanche, la physique de la matière condensée offre une clarté et un contrôle séduisants. Les propriétés des matériaux sont très diverses, mais elles sont générées par des comportements simples des électrons et des noyaux dans les atomes. » Combiné à l’augmentation de la puissance informatique, cela signifie que les matériaux devraient avoir le pouvoir de transformer nos vies plus tôt que nous ne le pensons. |
Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce que le Centre RIKEN pour la Science des Matières Émergentes (CEMS) ?
Le CEMS est un centre de recherche basé à Saitama, au Japon, qui vise à développer des matériaux pour de nouvelles technologies écoénergétiques. Ils utilisent une approche alternative pour la synthèse de nouveaux matériaux, en commençant par les propriétés nécessaires pour un nouveau dispositif, puis en construisant le matériau sur mesure.
2. Qu’est-ce qu’un inducteur et comment le CEMS cherche-t-il à le miniaturiser ?
Un inducteur est un composant standard que l’on trouve dans des dispositifs tels que les smartphones. Il contrôle le flux de courant électrique dans un circuit en le stockant sous forme d’énergie de champ magnétique. Le CEMS a trouvé une solution innovante pour miniaturiser l’inducteur en utilisant certaines propriétés de matériaux magnétiques exotiques.
3. Qu’est-ce qu’un skyrmion et peut-il révolutionner le stockage de la mémoire ?
Un skyrmion est une configuration d’électrons très stable qui peut être déplacée facilement avec un champ magnétique externe et est difficile à détruire. Cela en fait un outil attrayant pour le stockage de l’information, qui serait codée dans la position du skyrmion. De plus, ils sont minuscules, ce qui permettrait un stockage de mémoire de très haute densité et des dispositifs de stockage de mémoire plus petits.
4. Quels sont les obstacles à surmonter dans l’utilisation des skyrmions ?
Il y a plusieurs obstacles à surmonter. Par exemple, les héliomagnètes ne fonctionnent qu’en dessous du régime des mégahertz, mais des dispositifs tels que les téléphones portables fonctionnent à des fréquences beaucoup plus élevées, dans la gamme des gigahertz. De plus, jusqu’à présent, les physiciens ont pu manipuler facilement les skyrmions dans des matériaux avec des densités plus faibles de ces nœuds d’électrons, mais pas dans les nœuds de haute densité qui les intéressent le plus.
5. Qu’est-ce que la nouvelle plateforme numérique du CEMS ?
Le CEMS met en place une nouvelle plateforme numérique pour rendre le processus de découverte de nouveaux matériaux plus efficace. Cette plateforme combine systématiquement les données des expériences de laboratoire avec les simulations sur superordinateur via une plateforme en ligne accessible depuis RIKEN. L’objectif est de faciliter la tâche des scientifiques qui commencent par une vision du dispositif dont ils ont besoin et travaillent à rebours pour créer le matériau sur mesure qui correspond à leurs exigences.
1.Yokouchi, T., Kagawa, F., Hirschberger, M., Otani, Y., Nagaosa, N. et al. Emergent electromagnetic induction in a helical-spin magnet. Nature 586, 32–236 (2020). doi: 10.1038/s41586-020-2775-x
2.Kitaori, A., Kanazawa, N., Yokouchi, T., Kagawa, F., Nagosa, N. et al. Emergent electromagnetic induction beyond room temperature. Proceedings of the National Academy of Sciences 118 (33), e2105422118 (2021). doi: 10.1073/pnas.2105422118
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