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Un supraconducteur à sens unique pourrait rendre les ordinateurs 400 fois plus rapides,
Une première mondiale

Le , par Bruno

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Une équipe de chercheurs de l'Université technique de Delft a mis au point un supraconducteur unidirectionnel à résistance nulle qui bloque tout courant provenant de la direction opposée. Cette découverte pourrait permettre des économies d'énergie massives tout en rendant les ordinateurs jusqu'à 400 fois plus rapides. Le professeur associé Mazhar Ali et une équipe de l'Université technique de Delft ont publié leurs nouvelles recherches dans la revue Nature, expliquant comment leurs travaux sur les diodes supraconductrices pourraient donner un coup de fouet au domaine de l'informatique.

L'application des supraconducteurs à l'électronique présente un double avantage. Les supraconducteurs peuvent rendre l'électronique des centaines de fois plus rapide, et l'intégration des supraconducteurs dans notre vie quotidienne rendrait l'informatique beaucoup plus écologique : si vous faites tourner un fil supraconducteur d'ici à la lune, il transportera l'énergie sans aucune perte. Ainsi, selon le Conseil néerlandais de la recherche (NWO), l'utilisation de supraconducteurs au lieu de semi-conducteurs classiques pourrait permettre d'économiser jusqu'à 10 % de toutes les réserves énergétiques occidentales.


Au cours du 20e siècle et au-delà, personne n'a pu surmonter l'obstacle consistant à faire en sorte que les électrons supraconducteurs ne se déplacent que dans une seule direction, ce qui est une propriété fondamentale nécessaire à l'informatique et à l'électronique moderne (pensez par exemple aux diodes qui se déplacent également dans une seule direction). Dans la conduction normale, les électrons se déplacent sous forme de particules séparées ; dans les supraconducteurs, ils se déplacent par paires de deux, sans aucune perte d'énergie électrique.

Dans les années 70, des scientifiques d'IBM ont tenté l'idée d'une informatique supraconductrice, mais ont dû mettre un terme à leurs efforts : dans leurs documents sur le sujet, IBM mentionne que sans supraconductivité non réciproque, un ordinateur fonctionnant avec des supraconducteurs est impossible.

Jusqu'à présent, dans le régime supraconducteur, un comportement non réciproque induit par le champ a été observé dans des supraconducteurs non centrosymétriques et des gaz d'électrons bidimensionnels, et de multiples mécanismes pour ce phénomène ont été proposés. Ils nécessitent tous l'application d'un champ magnétique pour rompre simultanément la symétrie d'inversion et la symétrie d'inversion temporelle, de sorte qu'avec une intensité de champ magnétique suffisante, le courant critique nécessaire pour détruire l'état supraconducteur dans une direction peut être différent de celui dans l'autre direction. La supraconductivité non réciproque sans champ magnétique appliqué n'a pas encore été observée, que ce soit dans un supraconducteur massif ou dans une jonction supraconductrice, telle qu'une jonction Josephson (JJ).

La réciprocité dans le transport de charges décrit le comportement symétrique du courant en fonction de la tension ; l'intensité du courant généré par une tension positive est la même que celle générée par une tension négative. La violation de la réciprocité, c'est-à-dire le comportement non réciproque, est à la base de nombreux dispositifs électroniques importants tels que les diodes, les convertisseurs a.c./d.c., les photodétecteurs, les transistors, etc. Un exemple bien connu de dispositif non réciproque est la jonction p-n, formée par l'interface d'un semi-conducteur dopé p et n, qui présente une caractéristique asymétrique courant-tension (IVC) sans champ magnétique appliqué (B) et est largement utilisée dans diverses technologies semi-conductrices, y compris la logique et le calcul.

Les supraconducteurs ont le potentiel de rendre les dispositifs électroniques des centaines de fois plus rapides, tout en éliminant les pertes d'énergie. Cependant, des champs magnétiques ont toujours été nécessaires pour les empêcher de conduire dans toutes les directions, ce qui signifie qu'ils ne sont pas pratiques pour l'informatique classique.

L'équipe de TU Delft a proposé une méthode alternative pour contrôler la direction du courant dans un supraconducteur sans aimants. Elle a utilisé un nouveau matériau quantique développé par une équipe de physique des matériaux de l'université Johns Hopkins, le Nb3Br8. Comme le graphène, ce matériau est atomiquement fin. Ce matériau spécifique est censé posséder son propre dipôle électrique.

« La conduction électrique dans les semi-conducteurs, comme le Si, peut-être à sens unique en raison d'un dipôle électrique interne fixe, donc d'un potentiel net intégré. L'exemple classique est la fameuse "jonction pn", où l'on assemble deux semi-conducteurs : l'un a des électrons supplémentaires (-) et l'autre des trous supplémentaires (+). La séparation des charges crée un potentiel net intégré qu'un électron traversant le système ressentira. Cela brise la symétrie et peut donner lieu à des propriétés "à sens unique", car l'avant et l'arrière, par exemple, ne sont plus les mêmes. Il y a une différence entre aller dans la même direction que le dipôle et aller contre lui ; un peu comme si vous nagiez avec la rivière ou en remontant la rivière », déclare Mazhar Ali.

« Les supraconducteurs n'ont jamais eu d'analogue de cette idée unidirectionnelle sans champ magnétique ; puisqu'ils sont plus apparentés aux métaux (c'est-à-dire aux conducteurs, comme leur nom l'indique) qu'aux semi-conducteurs, qui conduisent toujours dans les deux sens et n'ont pas de potentiel intégré. De même, les jonctions Josephson (JJ), qui sont des assemblages de deux supraconducteurs avec des matériaux de barrière classiques non supraconducteurs entre les supraconducteurs, n'ont pas non plus de mécanisme de rupture de symétrie particulier ayant entraîné une différence entre "avant" et "arrière" », poursuit’il.

ALI indique que, de nombreuses technologies sont basées sur d'anciennes versions de supraconducteurs JJ. Par exemple, la technologie de l'IRM. De même, l'informatique quantique est aujourd'hui basée sur les jonctions Josephson. Une technologie qui n'était auparavant possible qu'avec des semi-conducteurs peut désormais être réalisée avec des supraconducteurs en utilisant ce bloc de construction.

Cela inclut des ordinateurs plus rapides, comme des ordinateurs dont la vitesse peut atteindre le térahertz, soit 300 à 400 fois plus vite que les ordinateurs que nous utilisons actuellement. Cela aura une influence sur toutes sortes d'applications sociétales et technologiques. Les scientifiques ont construit de nombreux dispositifs différents pour tester leur supraconducteur JJ et ont constaté à chaque fois qu'il permettait un fort courant unidirectionnel sans l'utilisation d'un champ magnétique.

Cependant, un obstacle que les chercheurs doivent surmonter est la question de l'utilisabilité à température ambiante. Jusqu'à présent, les tests ont été réalisés à des températures extrêmement basses, inférieures à 77 Kelvin (-196 °C, -321 °F). Si l'équipe de l'Université de Delft parvient à faire fonctionner le supraconducteur JJ à des températures plus normales, ce qui, selon Ali, est possible avec les « supraconducteurs à haute température connus », elle se rapprochera de l'étape suivante, qui consistera à déterminer s'il est possible de le produire en série.

Le calcul centralisé est vraiment la façon dont le monde fonctionne aujourd'hui. Tous les calculs intensifs sont effectués dans des installations centralisées où la localisation apporte d'énormes avantages en termes de gestion de l'énergie, de la chaleur, etc. L'infrastructure existante pourrait être adaptée sans trop de frais pour fonctionner avec l'électronique basée sur les diodes Josephson. Il y a une chance réelle, si les défis discutés dans l'autre question sont surmontés, que cela révolutionne le calcul centralisé et le supercalculateur !

Les chercheurs de TU Delft pensent que leur supraconducteur serait mieux utilisé dans les serveurs centralisés et les superordinateurs. Ils permettraient de faire bénéficier le plus grand nombre de personnes au moindre coût. « L'infrastructure existante pourrait être adaptée sans trop de frais pour fonctionner avec l'électronique à base de diodes Josephson, a déclaré Ali. Il y a une chance très réelle, si les défis discutés dans l'autre question sont surmontés, que cela révolutionne le calcul centralisé et les superordinateurs ! »

Source : Nature

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