Ce sont là quelques-unes des possibilités offertes par une remarquable famille de matériaux, dont une équipe de recherche de l’Université d’Ottawa et du Massachusetts Institute of Technology (MIT) dresse un vaste état des lieux après des années d’études.
En physique moderne, les matériaux topologiques magnétiques se situent au confluent du magnétisme et de la topologie (l’étude mathématique des formes qui ne peuvent continuellement se déformer mutuellement). Avec ces matériaux, un principe inédit protège la circulation des électrons.
« Les matériaux topologiques magnétiques constituent un système singulier où le magnétisme et la physique quantique interagissent de manières que nous ne commençons qu’à élucider », explique Hang Chi, titulaire de la Chaire de recherche du Canada sur les dispositifs et les circuits électroniques quantiques et professeur adjoint au Département de physique de l’Université d’Ottawa. « Réunissant les avancées les plus importantes du domaine, l’étude fournit au milieu de la recherche des assises communes sur lesquelles s’appuyer. »
« Les matériaux topologiques magnétiques constituent un système singulier où le magnétisme et la physique quantique interagissent de manières que nous ne commençons qu’à élucider »
Hang Chi
— Professeur adjoint au Département de physique de l’Université d’Ottawa
Revenant sur plus de vingt ans de recherche à travers le monde, l’analyse vient ainsi fournir un point de départ commun à la communauté scientifique.
Le professeur Chi et ses coauteurs, les professeurs Peng Chen et Jagadeesh S. Moodera du MIT, y détaillent les quatre grandes familles de ces matériaux, décrivent les effets quantiques générés, et expliquent quelles sont les applications technologiques les plus prometteuses. Parmi les effets décrits, celui de l’effet Hall quantique anormal retient particulièrement l’attention : il s’agit d’un état où le courant électrique peut se déplacer le long des bords pratiquement sans perte d’énergie et sans champ magnétique externe. Voilà des années qu’on tente de reproduire cet état de manière fiable et efficace : une étape majeure dans le domaine.
« Ce qui nous enthousiasme le plus, c’est la capacité de ces matériaux à réaliser une commutation de la magnétisation induite par courant électrique ou par tension avec un degré d’efficacité qui excède largement celui des métaux traditionnels, explique le professeur Chi. On peut ainsi obtenir des appareils plus rapides, plus petits et radicalement plus écoénergétiques que ce qu’on voit aujourd’hui. »
Un problème encore irrésolu
Pour le moment, ces propriétés ne peuvent s’observer que lorsque les matériaux sont refroidis à des températures à quelques fractions au-dessus du zéro absolu. La plus grande difficulté, ce sera d’obtenir les mêmes performances à température ambiante. Pour l’avenir, l’étude entrevoit trois applications concrètes : l’utilisation de puissants ordinateurs et de l’intelligence artificielle pour filtrer rapidement des milliers de matières possibles, la mise au point de nouvelles combinaisons de matières en fines couches superposées, et la découverte de familles de matériaux topologiques magnétiques encore inconnues.
« Nous n’en sommes pas là encore, mais le chemin est maintenant beaucoup plus clair, ajoute le professeur Chi. En combinant des avancées en synthèse de matériaux, en criblage par ordinateur et en apprentissage machine, nous pensons qu’il sera possible d’employer des matériaux topologiques magnétiques à température ambiante. »
On atteindra bientôt les limites physiques des appareils informatiques et électroniques tels qu’on les conçoit : les puces sont maintenant tellement denses que la chaleur est devenue l’un des plus grands obstacles au gain de rapidité. Au-delà des gains supplémentaires ainsi obtenus, les matériaux en question représentent une manière complètement différente de déplacer et de stocker l’information, pouvant générer des appareils moins chauds, plus rapides et beaucoup plus économes en énergie. Outre leurs applications en calcul, ces matériaux laissent entrevoir un potentiel intéressant pour le matériel d’intelligence artificielle : des circuits physiques traitant l’information à la manière du cerveau humain, plutôt que comme un calculateur classique. Les centres de données d’intelligence artificielle consommant de l’électricité à un rythme croissant, la question est particulièrement importante.
Intitulée « Progress and prospects of magnetic topological materials for spintronic applications », l’étude de Peng Chen, Hang Chi et Jagadeesh S. Moodera est publiée dans Newton (une revue publiée par Cell Press).