Vue d’artiste d’une puce supraconductrice — © TU Delft

Une équipe internationale de scientifiques est parvenue à créer un circuit supraconducteur unidirectionnel, promettant de décupler la puissance des ordinateurs/appareils électroniques tout en réduisant drastiquement leur consommation électrique.

Un défi supposé insurmontable

Permettant de transporter l’énergie sans aucune perte, les matériaux supraconducteurs s’avèreraient particulièrement souhaitables dans le domaine de l’électronique, ouvrant la voie à des machines des centaines de fois plus rapides que leurs homologues actuelles et également beaucoup moins énergivores. Malheureusement, les caractéristiques rendant cette forme de courant électrique si pratique compliquent également la conception de versions supraconductrices de composants semi-conducteurs courants.

Élément de base de l’électronique, la diode permet d’orienter les courants électriques dans une seule direction, fournissant ainsi un moyen de réguler, de convertir et d’accorder les mouvements des électrons. Dans les matériaux supraconducteurs, l’identité de ces électrons individuels s’estompe pour donner naissance à des paires de Cooper, permettant à chaque particule du duo de circuler de façon fluide (sans collisions).

Cependant, en l’absence des lois habituelles de la résistance électrique, les scientifiques n’avaient jusqu’à présent jamais réussi à faire voyager les électrons supraconducteurs dans une seule direction, en raison de leur comportement « réciproque ». Hypothèse fondamentale selon laquelle la supraconductivité ne peut violer la réciprocité (du moins pas sans manipulation du champ magnétique), qui persistait depuis le tout début des études dans le domaine.

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Dès les années 1970, des scientifiques d’IBM avaient exploré la possibilité d’une informatique supraconductrice, mais avaient rapidement mis un terme à leurs efforts, arguant que la supraconductivité non réciproque s’avérait indispensable à la mise au point de telles machines.

Sandwich quantique

Détaillées dans la revue Nature, les expériences menées par des chercheurs allemands, néerlandais et américains ont montré qu’un matériau quantique pouvait diriger ces fameuses paires de Cooper dans une même direction. Connues sous le nom de « jonctions Josephson », ces fines bandes que les électrons peuvent aisément traverser sont placées entre deux matériaux supraconducteurs. En dessous d’un certain seuil, ce « supercourant » n’a pas de tension. Une fois celui-ci atteint, une tension apparaît, oscillant rapidement en ondes qui pourraient notamment être exploitées par les ordinateurs quantiques.

Auparavant, il était possible de s’assurer que ce courant n’allait que dans un sens en utilisant un champ magnétique externe. Mais l’équipe a découvert qu’en utilisant un réseau 2D basé sur le niobium, elle pouvait se passer de ce dernier et se fier uniquement aux propriétés quantiques du matériau.

« Nous avons pu retirer quelques couches atomiques de ce Nb3Br8 et créer un sandwich très, très fin nécessaire à la fabrication de la diode Josephson, ce qui n’était pas possible avec les matériaux 3D classiques », explique Mazhar Ali, auteur principal de l’étude.

— Dmitriy Rybin / Shutterstock.com

Des implications potentielles majeures

Aussi importante soit cette découverte, il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant de voir débarquer les premiers ordinateurs supraconducteurs : le phénomène de supraconductivité se produit généralement dans des matériaux refroidis juste au-dessus du zéro absolu, et bien que certains supraconducteurs supportent des températures plus élevées, une pression démesurée doit préalablement leur être appliquée.

Découvrir comment les jonctions Josephson basées sur ces nouvelles barrières quantiques fonctionnent à des températures et des pressions plus élevées pourrait éventuellement changer la donne, en réduisant la quantité d’équipement nécessaire au fonctionnement de machines d’une puissance sans précédent.

« Cela influencera toutes sortes d’applications sociétales et technologiques. Si le XXe siècle a été le siècle des semi-conducteurs, le XXIe peut devenir le siècle du supraconducteur », conclut Ali.

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