Des physiciens créent le premier matériau quantique fonctionnant à température ambiante
par Bianca Scolaro, Faculté des sciences de la LSU
Édité par Swati Mestri, révisé par Andrew Zinin
Notes de la rédaction
L'essentiel
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Une nouvelle étude publiée dans *Nature* établit un modèle pour la conception de futurs matériaux quantiques fonctionnant dans des conditions ordinaires. Crédit : Groupe de photonique quantique de la LSU.
Les matériaux quantiques pourraient transformer des technologies allant des ordinateurs puissants et des communications ultra-sécurisées aux systèmes énergétiques de pointe. Cependant, un obstacle majeur a toujours persisté.
La quasi-totalité des matériaux quantiques connus ne manifestent leurs propriétés remarquables que lorsqu'ils sont refroidis à des températures proches du zéro absolu. À température ambiante, la chaleur génère des vibrations atomiques constantes qui perturbent le comportement quantique délicat que les scientifiques cherchent à exploiter. Pour maîtriser ces vibrations, il faut recourir à des systèmes de réfrigération cryogénique encombrants ; si ces matériaux constituent des outils puissants en laboratoire, il est donc difficile de les transposer en technologies pratiques.
Dans une étude publiée dans la revue *Nature*, des physiciens de la LSU ont mis au point le premier matériau quantique fonctionnant à température ambiante capable de distinguer et de transporter différents états quantiques de la lumière, surmontant ainsi l'un des plus grands défis de la recherche dans ce domaine. Dirigés par Omar S. Magaña-Loaiza, professeur agrégé de physique, ces travaux établissent un principe de conception général pour créer une classe entièrement nouvelle de matériaux quantiques, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour l'informatique quantique, les communications sécurisées, les technologies de détection et les systèmes énergétiques avancés.
Pour Chenglong You, ancien chercheur postdoctoral aujourd'hui professeur à l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine, l'un des moments les plus gratifiants a été de voir l'approche originale de l'équipe fonctionner exactement comme la théorie l'avait prédit.
« L'un des aspects les plus passionnants de ce projet a été de réaliser que nous pouvions fabriquer un matériau capable d'accomplir quelque chose que la nature ne produit pas spontanément. Le voir fonctionner exactement comme nous l'avions prévu a été incroyablement gratifiant », a déclaré Chenglong You.
À l'aide de ce dispositif optique basé sur un laser, l'équipe a testé son métacristal plasmonique quantique entièrement à température ambiante, surmontant ainsi l'un des principaux obstacles de la recherche sur les matériaux quantiques : la nécessité d'une réfrigération cryogénique encombrante pour préserver le comportement quantique. Crédit : Olivia Crowell.
Concevoir un matériau quantique de toutes pièces
Plutôt que de chercher un matériau naturel possédant les propriétés quantiques adéquates, l'équipe en a conçu et fabriqué un.
Pour le créer, les chercheurs ont déposé une fine couche d'or sur une puce en verre. À l'aide de faisceaux d'ions focalisés, ils ont gravé des centaines de fentes microscopiques dans l'or, chacune agissant comme un atome artificiel, ou « méta-atome ». Ensemble, ces méta-atomes forment un cristal sans équivalent naturel, dont l'épaisseur est inférieure à celle d'un cheveu humain.
Lorsque la lumière pénètre dans la puce, elle se propage à la surface de l'or et interagit avec ces méta-atomes. En contrôlant avec précision leur taille, leur forme et leur espacement, l'équipe a conçu un matériau capable de manipuler la lumière d'une manière inédite à température ambiante.
« En concevant la répartition des méta-atomes au sein du métacristal plasmonique, nous pouvons déterminer systématiquement quelles statistiques quantiques sont autorisées à traverser la structure. Notre cristal agit donc essentiellement comme un filtre statistique sur les états quantiques », explique Riley B. Dawkins, qui a récemment obtenu son doctorat et rejoint le National Institute of Standards and Technology (NIST) en tant que chercheur postdoctoral associé du NRC.
a lumière solaire, la lumière laser et la lumière fluorescente contiennent toutes des photons, mais ces derniers fluctuent et interagissent différemment. Ces subtiles différences déterminent le comportement de la lumière à l'échelle quantique ; or, leur identification a traditionnellement nécessité des instruments sophistiqués, des détecteurs cryogéniques et des millions de mesures.
Le métacristal mis au point par l'équipe accomplit cela automatiquement. Au lieu de réagir uniquement à la couleur ou à l'intensité d'une onde lumineuse, il distingue les subtiles différences quantiques de la lumière incidente et guide chaque état quantique le long d'un chemin distinct à travers le cristal.
Tout aussi important, ces chemins permettent à certains états quantiques de se propager dans le matériau en subissant moins d'altérations de leurs statistiques — ces caractéristiques uniques qui définissent chaque état quantique.
« Nous appelons cela un transport robuste », a déclaré Magaña-Loaiza. « Ces états quantiques véhiculent des informations. Notre cristal peut les distinguer et les déplacer d'un point à un autre de manière robuste, sans nécessiter de refroidissement cryogénique. C'est ce qui ouvre la voie à des technologies quantiques pratiques. »
Les physiciens qualifient ce comportement collectif de cohérence quantique ; sa préservation constitue l'un des défis majeurs de la science de l'information quantique. Dans l'article publié dans *Nature*, les chercheurs décrivent leur métacristal comme le premier matériau quantique fonctionnant à température ambiante et intrinsèquement sensible à la cohérence quantique des systèmes à N corps.
Une nouvelle classe de matériaux quantiques
Cette avancée différait si fondamentalement des matériaux existants que les chercheurs ont dû lui inventer un nouveau nom : le métacristal plasmonique à statistiques quantiques.
« Pour moi, ce n'était pas seulement un projet, mais un effort collectif fondé sur l'idée de créer quelque chose de totalement inédit dans le domaine des technologies quantiques », a déclaré Jannatul Ferdous, doctorante au sein de l'équipe de Magaña-Loaiza. « Ce qui rendait la démarche vraiment passionnante, c'est que nous ne nous contentions pas de créer une nouvelle classe de matériaux quantiques fonctionnant à température ambiante ; nous développions également la théorie permettant de comprendre et de contrôler leur comportement. Voir cette idée se concrétiser expérimentalement a été incroyablement gratifiant. »
Les chercheurs ont également découvert que le métacristal forme naturellement ce qu'ils appellent des bandes statistiques quantiques, par analogie avec les structures de bandes électroniques qui déterminent la manière dont les semi-conducteurs conduisent l'électricité.
En concevant avec précision l'agencement des méta-atomes, ils peuvent déterminer quels états quantiques sont autorisés à traverser le matériau sans modification et lesquels sont statistiquement altérés par le processus. Plutôt que de dépendre de matériaux naturels dotés de propriétés spécifiques, les scientifiques peuvent désormais concevoir intentionnellement des matériaux capables d'orienter les états quantiques de manière prévisible. En d'autres termes, l'étude fournit un modèle pour la création de futurs matériaux quantiques, et pas seulement de celui-ci.
Des ordinateurs quantiques à une énergie plus propre
Comme ce matériau fonctionne à température ambiante, ses applications potentielles vont bien au-delà de la physique fondamentale.
Les futurs ordinateurs quantiques pourraient utiliser des matériaux similaires pour transporter des informations quantiques fragiles sans dépendre de systèmes de réfrigération cryogénique encombrants. Ces mêmes principes pourraient également permettre de créer des réseaux de communication quantique plus pratiques, des capteurs ultrasensibles et d'autres technologies quantiques émergentes.
La capacité de faire circuler la lumière à travers un matériau avec moins de pertes pourrait également profiter aux énergies renouvelables.
Dans les cellules solaires actuelles, une partie de la lumière incidente reste piégée dans le matériau et finit par être convertie en chaleur plutôt qu'en électricité, ce qui réduit la quantité d'énergie récupérable. En guidant la lumière le long de trajectoires plus robustes, le métacristal pourrait permettre de conserver une plus grande partie de cette énergie en circulation dans le matériau, évitant ainsi qu'elle ne soit perdue.
C'est précisément ce que Magaña-Loaiza prévoit de tester ensuite.
La prochaine étape pour l'équipe consiste à intégrer le métacristal dans des cellules solaires et à déterminer s'il peut augmenter la quantité de lumière solaire convertie en électricité utilisable. En cas de succès, ces travaux démontreraient comment une découverte ancrée dans la physique quantique fondamentale pourrait améliorer directement les technologies d'énergie solaire de nouvelle génération.
Détails de la publication
Omar Magaña-Loaiza, Quantum statistical plasmonic metacrystals, Nature (2026). DOI : 10.1038/s41586-026-10782-3 , www.nature.com/articles/s41586-026-10782-3
Informations sur la revue : Natu
Publication details
Omar Magaña-Loaiza, Quantum statistical plasmonic metacrystals, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10782-3 , www.nature.com/articles/s41586-026-10782-3
Journal information: Nature
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RESUME
Des physiciens créent le premier matériau quantique fonctionnant à température ambiante
Un « métacristal statistique quantique » plasmonique, composé de méta-atomes d'or sur une puce, fonctionne à température ambiante en transmettant et en acheminant sélectivement des états quantiques distincts de la lumière. Il agit comme un filtre statistique quantique, préservant la cohérence quantique et permettant un transport robuste sans refroidissement cryogénique. Ces travaux fournissent un principe de conception général pour des matériaux quantiques artificiels, avec des applications potentielles dans le domaine de l'information quantique et de l'amélioration de la conversion de l'énergie solaire.
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COMMENTAIRE
Beau résultat technologique car travailler a basse température néessite l' apport de matériaux et de tecniques particulieres ..
.je me rappellepersonnelement les problemes de manips necessitant la temperature de l hydrogène liquide ( car le fluor gèle a - 219 ç!)
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