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Polaritons à bande plate tachés dans un treillis de Lieb
Flat-band
polaritons spotted in Lieb lattice
26 mars 2018
Emission d'électrons du réseau Lie
Un réseau de piliers semi-conducteurs soutenant la
conduction de quasi-particules de polaritons a été créé par des physiciens de
l'Université ITMO de Saint-Pétersbourg en Russie et de l'Université de
Sheffield au Royaume-Uni. Le réseau carré "Lieb" a une symétrie
spéciale qui se produit dans certains supraconducteurs à haute température et
la recherche pourrait fournir un aperçu de ce phénomène mal compris.
Ces dernières années, les physiciens ont été intrigués par
les propriétés des réseaux Lieb. En plus de se produire naturellement dans des
supraconducteurs à haute température de cuprate, des réseaux de Lieb ont
également été fabriqués en utilisant des atomes ultrafroids et des réseaux de
guides d'ondes optiques.
Une propriété fascinante des électrons et d'autres
particules soumises au potentiel périodique d'un réseau de Lieb, est qu'ils
présentent des "bandes plates" dans lesquelles il n'y a aucune
relation entre l'énergie et la vitesse des particules. Cela donne aux
particules une masse efficace infinie. Les bandes plates sont d'un grand
intérêt pour les physiciens parce qu'elles sont liées à certains types de
supraconductivité, de magnétisme età d'autres propriétés quantiques des
solides.
Ce dernier système de treillis Lieb a été créé par Dmitry
Kryzhanovskii à l'Université de Sheffield, Ivan Shelykh de l'ITMO et ses
collègues. Leurs micropiliers sont constitués d'un semi-conducteur composite et
ont un diamètre d'environ 3 μm. La cellule unitaire de leur réseau Lieb
contient trois micropillaires disposées en forme de L (voir figure). Les
cellules unitaires sont disposées dans un réseau carré avec une constante de
réseau d'environ 6 μm.
Le treillis supporte la conduction des polaritons - qui sont
des entités semblables à des particules formées lorsque le champ électrique
d'un photon interagit avec les électrons de conduction dans un matériau.
"De telles particules hybrides interagissent les unes avec les autres,
tout comme les électrons dans un corps solide", explique Kryzhanovskii.
"Nous savons maintenant comment les polaritons se condensent en bandes
plates, comment leur interaction brise la symétrie du rayonnement et comment
leurs propriétés de spin ou de polarisation changent."
Le système est particulièrement utile parce que les paramètres
physiques qui régissent le comportement des polaritons peuvent être ajustés en
changeant les propriétés du réseau - ce qui est beaucoup plus difficile à faire
dans les matériaux cristallins tels que les supraconducteurs.
Avec cette facilité de contrôle, les chercheurs ont maintenu
une rotation de spin continue dans leurs polaritons, permettant des
observations remarquablement longues de leur polarisation. "D'un point de
vue fondamental, les cristaux de polaritons sont intéressants en ce sens qu'ils
fournissent une grande variété de phases quantiques et d'effets que nous ne
pouvons pas étudier dans des cristaux standards", explique Shelykh. Ces
effets comprenaient des modèles d'émission distincts provenant de différentes
orbitales d'électrons, révélant des trajets de tunnel quantique qui dépendent
de la polarisation - un effet jamais observé auparavant.
L'accordabilité élevée du système de polaritons pourrait
également présenter un potentiel prometteur pour des applications en
informatique quantique. Dans ce cas, l'état de polarisation d'un polariton
pourrait être utilisé pour représenter un bit quantique (information). "La
polarisation est un candidat idéal pour le traitement de l'information au
niveau quantique", explique Shelykh.
La recherche est décrite dans Physical Review Letters.
Sam Jarman est un écrivain scientifique basé à l'U
MON COMMENTAIRE :L' idée s 'apparente à ces « chimères »
qui existent en bio génétique et en hybridation….Et permettant ici de
voir des configurations électroniques et
des propriétés inhabituelles ….
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Analogue
computer could use sound to make rapid calculations
L'ordinateur analogique peut utiliser le son pour effectuer
des calculs rapides
02 avr. 2018
Détection d'image en utilisant le son
Un ordinateur analogique compact basé sur un métamatériau
acoustique a été proposé par Farzad Zangeneh-Nejad et Romain Fleury à l'Ecole
polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). Ils ont montré que le système devrait
être capable de différenciation rapide, d'intégration et de traitement d'image
instantané, et le duo pense pouvoir réaliser des exploits encore plus
impressionnants à l'avenir.
Les ordinateurs analogiques utilisent des interactions
impliquant des entités physiques telles que la lumière, le courant électrique
ou un système mécanique pour effectuer des calculs spécifiques. Certains des
ordinateurs analogiques les plus sophistiqués ont été développés du début au
milieu du 20ème siècle pour aider à guider les frappes d'artillerie et de
bombardement aérien.
Alors que l'avènement des ordinateurs numériques avait rendu
depuis ces ordinateurs obsolètes, ils
connaissent maintenant une résurgence grâce aux recherches en cours sur les
matériaux artificiels appelés métamatériaux. Ces matériaux peuvent être conçus
pour manipuler les ondes lumineuses ou sonores qui les traversent de manière
nouvelle - ouvrant la porte à de nouveaux types d'ordinateurs analogiques.
«Les métamatériaux sont des structures artificielles
composées d'inclusions périodiques de sous-longueurs d'onde, qui peuvent être
subtilement conçues pour fournir des caractéristiques macroscopiques souhaitées
du matériau global», explique Zangeneh-Nejad.
Les métamatériaux ont déjà été utilisés pour créer des
ordinateurs analogiques qui manipulent des ondes électromagnétiques pour
effectuer des opérations mathématiques. Zangeneh-Nejad et Fleury ont entrepris
de concevoir un appareil comparable à ces ordinateurs optiques, mais utilisant
des ondes sonores. Cependant, les propriétés distinctives des ondes sonores
signifiaient que les chercheurs devaient d'abord examiner soigneusement comment
concevoir leur métamatériau de départ .
«Habituellement, lorsque le son est incident sur un mur dur,
il se réfléchit sans être soumis à une
transformation particulière, et la seule chose qui se passe est la direction
des changements de propagation», explique Fleury. "Notre métamatériau est
capable d'effectuer des tâches complexes de traitement du signal sur les ondes
sonores lorsqu'elles sont réfléchies, directement à la volée et ceci sans délai. Il peut y parvenir
instantanément sans convertir le son en signaux électriques. »Grâce à leurs
calculs, les physiciens ont découvert les propriétés physiques requises de leur
métamatériau. «Il faut une propriété acoustique très spéciale qui n'existe pas
dans la nature: un indice de réfraction acoustique plus grand que celui de
l'air», explique Fleury.
Une caractéristique importante du dispositif proposé est
qu'il effectue des opérations directement dans le domaine spatial. Les
ordinateurs basés sur des métamatériaux précédents ont travaillé dans la
fréquence, ou domaine de Fourier, nécessitant des sous-blocs de transformée de
Fourier volumineux pour convertir des signaux dans le domaine spatial.l. Le
nouveau métamatériau n'a pas besoin de ces éléments supplémentaires. "Dans
notre système informatique, l'opérateur mathématique de choix est directement
réalisé dans le domaine spatial à l'aide d'un métamatériau connu sous le nom de
guide d'ondes à plaque acoustique à indice élevé", explique
Zangeneh-Nejad.
Le duo a montré comment leur appareil pouvait effectuer la
différenciation et l'intégration, ainsi que la détection d'image instantanée.
En rédigeant leur pré-impression sur arXiv, ils expliquent
comment les futures générations de leur conception pourraient être utilisées
pour résoudre des équations différentielles plus complexes, telles que
l'équation de Schrödinger. «Nous avons montré comment des opérateurs plus complexes
tels que le différentiateur du second ordre peuvent être construits simplement
en cascadant de plus en plus de guides d'ondes
en pavé », explique Zangeneh-Nejad. Fait important, les chercheurs ont
calculé que les dispositifs informatiques fabriqués à partir de métamatériaux
acoustiques pourraient être entièrement compatibles avec l'infrastructure
informatique actuelle. «Notre système est exempt de tout objectif en pavé de Fourier, hautement miniaturisé et
potentiellement intégrable dans des architectures compactes, et peut être
facilement mis en œuvre dans la pratique.
Les micro-ondes dans le métamatériau effectuent une
recherche quantique
Les physiciens vont maintenant explorer davantage la
capacité de leur guide d'ondes à effectuer des calculs à des vitesses plus
rapides que les ordinateurs conventionnels. «Nous étudions les applications de
notre métamatériau dans la détection compressive, la résolution d'équations
ultrarapides, les réseaux neuronaux et une grande variété d'autres applications
nécessitant un traitement du signal continu et en temps réel», explique Fleury.
Leur dispositif a également le potentiel d'explorer la dynamique des systèmes
biologiques complexes, permettant de nouvelles avancées en médecine. Comme
Zangeneh-Nejad ajoute, "notre système pourrait explorer les processus de
calcul dans les cerveaux humains, et de nombreux autres systèmes naturels comme
l'ADN, les membranes et les interactions protéine-protéine".
Sam Jarman est un écrivain scientifique basé au Royaume-Uni
MON COMMENTAIRE :Il est évidement extrêmement favorable , mais mes lecteurs auront surement remarqué
la grande discrétion des auteurs Zangeneh-Nejad
et Fleury dans leur description des métamatériaux utilisés !!!!..Par intuition je songe à des élaborations par absorptions spécifiques superficielles progressives et je ne doute pas que des brevets seront
pris par les auteurs !!!!
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Quantum
battery could get a boost from entanglement
La batterie quantique pourrait être stimulée par
l'intrication
27 mars 2018
Diagramme de la batterie quantique
Coopération quantique: le panneau inférieur montre des
qubits de batterie enchevêtrés dans une cavité optique
Les physiciens italiens ont conçu une "batterie
quantique" qui, selon eux, pourrait être construite en utilisant la technologie
à semi-conducteurs d'aujourd'hui. Ils prétendent que le dispositif, qui
stockerait l'énergie dans les états excités des qubits, pourrait se charger
très rapidement grâce à l'intrication et qu'il pourrait fournir de l'énergie
aux ordinateurs quantiques du futur.
Cette recherche fait partie d'un effort produit par les physiciens pour étudier la
thermodynamique de très petits systèmes, tels que les moteurs thermiques
atomiques ou moléculaires et les réfrigérateurs. En 2012, Robert Alicki de
l'Université de Gdansk en Pologne et Mark Fannes de l'Université de Louvain en
Belgique ont étudié la quantité de travail qui pourrait être extraite de
manière réversible à partir d'un système de mécanique quantique utilisé pour
stocker temporairement de l'énergie. Ils ont découvert qu'en emmêlant de
nombreuses batteries quantiques, elles pouvaient augmenter la production
d'énergie par batterie de sorte que, pour un très grand nombre d'entre elles,
la production atteindrait la limite supérieure imposée par la thermodynamique
classique.
D'autres groupes ont depuis construit sur ce travail, dont
un mené par Kavan Modi à l'Université de Monash en Australie l'année dernière
ayant découvert que les effets collectifs peuvent augmenter le taux de charge
des batteries quantiques (même si les états quantiques impliqués ne sont pas
enchevêtrés). Maintenant, Marco Polini et ses collègues de l'Institut italien
de technologie (IIT) de Gênes ont montré que ces idées théoriques pouvaient se
concrétiser en réalité.
L'équipe de Gênes propose de loger plusieurs systèmes
quantiques à deux niveaux, ou qubits, à l'intérieur d'une seule cavité optique
(voir figure). La lumière avec une longueur d'onde spécifique est éclairée dans
la cavité - sous la forme d'une impulsion laser, par exemple - où elle excite
les qubits de leur niveau de base jusqu’
à des états excités tout en les emmêlant. Cet arrangement, les chercheurs le calculent, augmente la puissance de charge
de l'appareil en proportion de la racine carrée du nombre de qubits, alors que
le taux de charge reste à plat si les qubits sont logés dans des cavités
optiques distinctes. Comme le dit Polini, l'utilisation d'une cavité commune signifie
que «chaque qubit parle avec tous les autres qubit».
Polini dit que leur système ne viole pas les lois de la
thermodynamique, car il implique simplement un débit d'énergie plus élevé que
la source conventionnelle, plutôt qu'une augmentation de la quantité totale
d'énergie. Le schéma implique un compromis entre la puissance de charge et
l'énergie stockée, avec l'équilibre entre les deux déterminé par la façon dont
les photons et les qubits sont fortement couplés les uns aux autres.
Polini explique que la recherche, bien que encore théorique,
est plus orientée vers la pratique que les travaux antérieurs. "Historiquement,
les quelques articles de la littérature sur les batteries quantiques
proviennent de scientifiques de la communauté de l'information quantique, qui
sont plus intéressés par les théorèmes fondamentaux que par la mise en œuvre
concrète de leurs idées", dit-il. "Nous avons lu leurs papiers [sur
les batteries quantiques] et avons vu que cela peut être réalisé dans le laboratoire."
Selon Polini, les batteries quantiques proposées pourraient
utiliser des qubits construits soit à partir de supraconducteurs, soit à
partir de points quantiques
semiconducteurs. Il dit qu'ils espèrent construire une batterie quantique comme preuve de principe en collaboration
avec des expérimentateurs de l'IIT et de trois autres institutions européennes
- ayant soumis une demande de subvention au programme phare de l'Union
européenne sur les technologies quantiques. Il estime que la collaboration
pourrait potentiellement construire une batterie avec jusqu'à cinq qubits au
cours des trois prochaines années.
Cependant, Polini tient à souligner que la technologie n'est
pas conçue pour alimenter des ordinateurs portables ou d'autres appareils
électroniques familiers. Comme il le fait remarquer, les batteries quantiques
se déchargeraient extrêmement rapidement - de l'ordre de quelques nanosecondes
- et stockeraient également des quantités d'énergie exceptionnellement faibles.
En effet, dit-il, l'énergie stockée dans une batterie quantique est liée à la
différence dans les niveaux d'énergie d'un qubit qui s'élève à environ 0,001 eV, alors qu'une
batterie d'ordinateur portable typique stocke quelques 10^24 eV. "Ces
appareils ne remplaceront pas les piles normales
A la place , Polini voit les piles à l'avenir alimentant des
dispositifs purement quantiques, tels que les ordinateurs quantiques. Selon
lui, un tableau de peut-être quelques milliers de qubits pourrait être
disponible dans "10 ou 20 ans" à partir de maintenant. Le tableau,
envisage-t-il, fonctionnerait en boucle, de sorte que chaque qubit se recharge
alors que l'ordinateur capte l'énergie des qubits successifs. "Notre rêve
est que vous ayez un circuit intégré basé sur les technologies quantiques",
dit-il. "Chaque unité du circuit fonctionnerait de façon quantique, y
compris la batterie
Selon M. Modi, il est "vraiment surprenant" que
les chercheurs de l'IIT aient réussi à trouver "des architectures
physiques adaptées à nos modèles de jouets". Mais, prévient-il, ils
doivent montrer que leur technologie peut résister au bruit de l'environnement.
"Très probablement, nous ne verrons pas de batterie quantique de sitôt, et
nous ne savons pas comment nous pourrions utiliser une telle batterie",
dit-il. "Il y a beaucoup de théorie qui doit être faite avant que nous
puissions faire des expériences, et un jour l'ingénierie."
La conception de la batterie est décrite dans Physical
Review Letters.
Edwin Cartlidge est un écrivain scientifique basé à Rome
MON COMMENTAIRE / Ce n’est qu’ un
projet d’objectif très fumeux ( sinon improbable !)et surtout propre à
déposer des demandes de subventions !!Les problèmes de l’intrication
viennent de l’interférence de son
environnement !
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Earwig
origami inspires new self-folding materials
Earwig origami inspire de nouveaux matériaux auto-pliants
23 mars 2018
Photographie d'une aile de perce-oreille artificielle
Dans un volet: une aile de perce-oreille artificielle
Des matériaux auto-pliants pouvant enclencher et saisir des
objets ont été créés par des chercheurs en Suisse et aux États-Unis. Inspirés
de l'origami et des ailes déployables du perce-oreilles, les matériaux ont été
réalisés avec une imprimante 3D et les principes de conception de l'équipe
pourraient avoir de larges applications dans, par exemple, la robotique et même
les drones ailés.
L'origami est l'art japonais ancien du pliage de papier. En
plus d'être esthétiquement beau, il est mathématiquement fascinant et a
d'importantes applications en ingénierie et en technologie. Le modèle
mathématique conventionnel de l'origami traite les surfaces comme des plaques
complètement rigides reliées par des charnières flexibles. L'hypothèse est
qu'il n'y a pas de résistance à un pli pour lequel tout le mouvement est perpendiculaire à
la charnière. Cependant, tout autre pli - par exemple celui qui étire la
charnière - n'est pas décrit par le modèle.
Malgré son élégance mathématique, le modèle classique de
l'origami a deux faiblesses. Tout d'abord, il ne parvient pas à capturer
l'ensemble complet des modèles de pliage possibles qui peuvent être réalisés
avec des matériaux réels, qui ne sont pas parfaitement rigides. Deuxièmement,
en rendant le mouvement sans résistance ou impossible, il ne peut pas modéliser
des systèmes bistables qui résistent à la déformation avant de se briser dans
une configuration de forme différente.
Les systèmes bistables existent dans la nature et incluent
des ailes de perce-oreille - qui peuvent se briser rapidement entre un état
rampant étroitement plié et une configuration ouverte pour voler. Les ailes
sont suffisamment rigides à l'état déplié pour supporter des charges
aérodynamiques pendant le vol, mais cette rigidité n'empêche pas les ailes de
rester fermement pliées lorsqu'elles ne sont pas utili
Jakob Faber et André
Studart de l'ETH Zürich en Suisse et Andres Arrieta de l'Université Purdue aux
États-Unis ont découvert que les ailes de perce-oreilles peuvent se fermer
hermétiquement car les plis peuvent s'étirer pendant le pliage.
Forte de cette connaissance, l'équipe a créé un nouveau
modèle d'origami qui inclut la résistance finie d'un pli à l'étirement - ainsi
qu'une résistance finie à la flexion. Avec ces deux types de résistance, la
déformation devient «une sorte de compétition entre l'étirement et la flexion»,
explique Arrieta, permettant des structures bistables avec deux minimums
d'énergie potentielle. Quand une structure dans l'un ou l'autre état subit de
petites forces, comme les forces aérodynamiques sur l'aile dépliée du perce-oreille,
l'étirement du pli résultant augmente son énergie de déformation. Lorsque les
forces sont supprimées, la structure retourne à son état d'origine
Cependant, lorsque l'énergie de contrainte est augmentée
au-delà d'un certain seuil, l'énergie nécessaire pour étirer un pli devient
plus faible que l'énergie nécessaire pour surmonter la résistance à la flexion.
La structure peut donc minimiser efficacement son énergie de déformation en se
repliant dans une forme différente, de la même manière que l'aile du
perce-oreille se referme lorsque cela est nécessaire. Une fois que la structure
atteint ce nouveau minimum d'énergie potentielle, la résistance à l'étirement
du pli l'empêchera de revenir à l'état initial jusqu'à ce qu'il soit déformé
au-delà du seuil requis.
Les chercheurs ont utilisé l'impression 4D (impression 3D
d'objets qui peuvent évoluer avec le temps) pour déposer des feuilles d'un
polymère polylactique rigide relié par un élastomère selon des motifs
soigneusement prédéterminés. En plus de produire des ailes artificielles (voir
les figures), ils ont également fabriqué un dispositif de préhension qui peut
s'enclencher et se bloquer sur un objet sans actionnement externe. En utilisant
leur modèle, l'équipe a pu prédire, et contrôler expérimentalement, la
contrainte de seuil nécessaire pour ouvrir et fermer la pince en accordant le
rapport de la rigidité d'étirement et de flexion des plis. Une fois actionné,
le préhenseur pourrait soulever des objets égaux à son propre poids sans autre
apport d'énergie.
«Ce qui est très intéressant pour nous maintenant, c'est de
jouer avec la conception des matériaux que nous utiliserions sur les plis»,
explique Arrieta. "Parce que l'on peut combiner des choses comme la
transformation de phase et d'autres effets viscoélastiques avec ce stockage
d'énergie purement élastique pour créer un comportement intéressant."
Jesse Silverberg de l'Université Harvard est impressionné
par le travail: «La modélisation et les mathématiques dans lesquelles ils
travaillaient étaient assez normales pour le terrain», dit-il. «La véritable
force du [travail] était qu'ils fabriquaient réellement un appareil. Il avertit
cependant que le terrain doit encore explorer la durabilité de ces structures
de stockage de contraintes lorsqu'il est recyclé à plusieurs reprises: "Si
nous pensons à une version de prochaine génération de drones, par exemple, dans
laquelle nous avons des ailes déployables à la place. des hélices d'hélicoptère,
nous devons réfléchir à ce que seront
les limites du monde réel pour cet ensemble de principes de conception. En tant
que domaine, nous n'avons pas encore vraiment répondu à ces questions car nous
montrons toujours quelles sont les possibilités. "
La recherche est décrite dans Science.
Tim Wogan est un écrivain scientifique basé au Royaume-Uni
MON COMMENTAIRE / L’ article n’a que
très peu d’intérêt sur la physique et
la technologie des matériaux propres à l’origami
.Mais je peux très bien admettre qu’ on fasse de l’art pour l’art !!!
En revanche il a réveillé en moi deux curiosités différentes :1°
Curieux cet esprit humain de ne pouvoir se départir de cette admiration des
ailes d’oiseau ou d’insecte…. !2°/ Pourquoi appeler ces insectes des
perces oreilles alors qu’ ils sont
incapables du moindre dégâts !?? C’est
parce que leur queue se termine en forme
de pinces à percer les oreilles des
filles , parait il voir ma photo
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