Attiré par les aimants supraconducteurs

Les appareils IRM, incroyablement précieux pour diagnostiquer les blessures et les maladies, ne sont possibles que grâce à des décennies de recherche fondamentale sur ces aimants supraconducteurs. Aujourd’hui, cependant, il existe encore d’innombrables supraconducteurs exotiques que les scientifiques ne comprennent pas entièrement mais qui pourraient avoir des applications technologiques.

James Analytis, Ph.D., titulaire de la chaire Charles Kittel en physique de la matière condensée à Berkeley, veut révéler les détails atomiques de ces types de matériaux. Son travail pourrait, un jour, conduire à de nouveaux types d’appareils d’IRM, voire à des superordinateurs qui codent les données de manière entièrement nouvelle.

« Ce qui relie mes recherches, c’est que tout commence par cette question très fondamentale de savoir comment fonctionnent ces nouveaux supraconducteurs étranges », déclare Analytis, un 2021 Membre de la faculté Heising-Simons. « Une fois que nous comprenons cela, nous pouvons optimiser et manipuler ces supraconducteurs pour créer de nouveaux dispositifs. L’objectif technologique ultime est d’essayer d’avoir un supraconducteur qui fonctionne à température ambiante et qui puisse fabriquer des fils fins.

Les fils supraconducteurs pourraient se traduire par de petits scanners IRM accessibles dans le monde entier, ou par un réseau électrique beaucoup plus rapide et plus efficace, entre autres applications.

Une façon d’expliquer le monde

Analytis, qui a grandi en Nouvelle-Zélande, a toujours eu une profonde curiosité pour le monde qui l’entoure. Au collège de l’Université de Canterbury, il s’est essayé à la physique, aux mathématiques et à la philosophie – tous les domaines qui, selon lui, offraient des façons élégantes de décrire la nature au niveau le plus simple. Mais il voulait aussi avoir un impact. Avec la physique, pensait-il, il serait capable à la fois de comprendre comment le monde fonctionnait et d’appliquer ses découvertes au développement de nouvelles technologies.

En tant que boursier Rhodes à l’Université d’Oxford, Analytis a réduit ses intérêts pour se concentrer sur les supraconducteurs. Ces matériaux peuvent conduire l’électricité sans perte d’énergie, permettant aux courants électriques de persister indéfiniment et de générer de puissants champs magnétiques. Cependant, les supraconducteurs existants ne peuvent atteindre ces propriétés qu’à des températures extrêmement froides, du moins à des pressions normales.

« Ce qui m’attirait dans ce domaine, c’est qu’il faut être un touche-à-tout pour s’attaquer aux supraconducteurs », déclare Analytis. « Vous devez comprendre la thermodynamique et les constituants fondamentaux de la nature, et comment les particules interagissent. Mais vous pouvez également sonder ces matériaux avec des expériences de table accessibles dans votre propre laboratoire.

Analytis, cependant, n’était pas tout à fait sûr de vouloir créer son propre laboratoire. Il a fallu deux bourses – d’abord à l’Université de Bristol au Royaume-Uni, puis à Stanford – pour le rendre accro au sentiment de communauté que les laboratoires universitaires pouvaient transmettre.

« J’ai soudainement eu l’impression de faire partie de quelque chose, cette communauté dynamique de personnes travaillant ensemble pour répondre à des questions vraiment profondes et fondamentales sur le monde », dit-il. « Et donc l’une des raisons pour lesquelles j’ai décidé de créer mon propre laboratoire était que je voulais propager cet enthousiasme ; Je voulais que mes élèves ressentent cette excitation que je ressentais.

Plus que des appareils IRM

Lorsqu’un matériau supraconducteur est torsadé dans une bobine, comme c’est le cas avec un appareil IRM, il crée un champ magnétique puissant. Dans le cas d’une IRM du corps d’une personne, la machine détecte la rapidité avec laquelle les protons du corps s’alignent avec le champ magnétique, en utilisant cette information pour différencier les types de tissus. Mais le même magnétisme supraconducteur est utile dans d’autres technologies, notamment l’imagerie par résonance magnétique nucléaire (RMN), les accélérateurs de particules et les trains à grande vitesse qui lévitent au-dessus des voies, réduisant ainsi la friction.

Dans toutes ces applications, la puissance de la supraconductivité provient des spins des électrons, c’est-à-dire de la façon dont chaque électron tourne autour de son axe. L’un des principaux objectifs du laboratoire d’Analytis est de révéler comment les spins des électrons interagissent les uns avec les autres, comment tirer parti des spins pour stocker des données et comment manipuler les spins pour créer de nouveaux types de supraconducteurs qui peuvent fonctionner plus près de la température ambiante.

En 2020, Analytis et ses collègues ont développé un matériau connu sous le nom de dichalcogénure de métal de transition intercalé Fe1/3NbS2. L’équipe a montré que l’application de petits courants électriques au matériau peut inverser les spins magnétiques, leur permettant de créer un appareil capable de lire et d’écrire des informations dans les spins – un nouveau type de dispositif de stockage d’informations, bien que très simple, preuve de- principe un.

« J’étais assez fier de cela parce que nous utilisions des matériaux exotiques très complexes et inhabituels pour faire quelque chose d’appliqué », explique Analytis.

L’avenir des supraconducteurs

Analytis affirme que le va-et-vient entre les questions scientifiques fondamentales et les applications n’est pas seulement une rue à sens unique ; la technologie appliquée que son laboratoire développe peut alors aider à sonder des questions fondamentales.

« Nous pouvons prendre toutes les techniques de nanofabrication de pointe et une nouvelle compréhension de la façon dont les spins interagissent, puis les appliquer à de nouveaux supraconducteurs », dit-il.

Avec le prix Heising-Simons Fellow, par exemple, son équipe travaille sur des prototypes de dispositifs destinés uniquement à démontrer la physique fondamentale, à tester le fonctionnement de nouveaux supraconducteurs et à rechercher des matériaux dotés de nouvelles propriétés.

La création d’un supraconducteur à température ambiante et à pression ambiante est peut-être encore loin, mais Analytis a également des objectifs plus immédiats, comme comprendre les supraconducteurs qui fonctionnent à quelques Kelvin au-dessus du zéro absolu – toujours très froids, mais dont le mécanisme pourrait donner des indices sur la façon de concevoir supraconducteurs à partir de leurs composants élémentaires. «Ce serait aussi transformateur», dit-il.

Analytis reste motivé par ce potentiel de transformation et les diverses collaborations nécessaires pour traduire ses recherches fondamentales en applications.

« Nous collaborons avec des ingénieurs, des chimistes et des informaticiens », dit-il. « Ils disent que la variété est le piment de la vie ; Je pense certainement que cela rend mes recherches très amusantes.

Dans toutes ces applications, la puissance de la supraconductivité provient des spins des électrons, c’est-à-dire de la façon dont chaque électron tourne autour de son axe. L’un des principaux objectifs du laboratoire d’Analytis est de révéler comment les spins des électrons interagissent les uns avec les autres, comment tirer parti des spins pour stocker des données et comment manipuler les spins pour créer de nouveaux types de supraconducteurs qui peuvent fonctionner plus près de la température ambiante.

En 2020, Analytis et ses collègues ont développé un matériau connu sous le nom de dichalcogénure de métal de transition intercalé Fe1/3NbS2. L’équipe a montré que l’application de petits courants électriques au matériau peut inverser les spins magnétiques, leur permettant de créer un appareil capable de lire et d’écrire des informations dans les spins – un nouveau type de dispositif de stockage d’informations, bien que très simple, preuve de- principe un.

« J’étais assez fier de cela parce que nous utilisions des matériaux exotiques très complexes et inhabituels pour faire quelque chose d’appliqué », explique Analytis.

L’avenir des supraconducteurs

Analytis affirme que le va-et-vient entre les questions scientifiques fondamentales et les applications n’est pas seulement une rue à sens unique ; la technologie appliquée que son laboratoire développe peut alors aider à sonder des questions fondamentales.

« Nous pouvons prendre toutes les techniques de nanofabrication de pointe et une nouvelle compréhension de la façon dont les spins interagissent, puis les appliquer à de nouveaux supraconducteurs », dit-il.

Avec le prix Heising-Simons Fellow, par exemple, son équipe travaille sur des prototypes de dispositifs destinés uniquement à démontrer la physique fondamentale, à tester le fonctionnement de nouveaux supraconducteurs et à rechercher des matériaux dotés de nouvelles propriétés.

La création d’un supraconducteur à température ambiante et à pression ambiante est peut-être encore loin, mais Analytis a également des objectifs plus immédiats, comme comprendre les supraconducteurs qui fonctionnent à quelques Kelvin au-dessus du zéro absolu – toujours très froids, mais dont le mécanisme pourrait donner des indices sur la façon de concevoir supraconducteurs à partir de leurs composants élémentaires. «Ce serait aussi transformateur», dit-il.

Analytis reste motivé par ce potentiel de transformation et les diverses collaborations nécessaires pour traduire ses recherches fondamentales en applications.

« Nous collaborons avec des ingénieurs, des chimistes et des informaticiens », dit-il. « Ils disent que la variété est le piment de la vie ; Je pense certainement que cela rend mes recherches très amusantes.

La source: UC Berkeley