« Si le 20e siècle a été le siècle des semi-conducteurs, le 21e peut devenir le siècle du supraconducteur. »
C’est ainsi que le professeur Mazhar Ali, chef d’une équipe de recherche de l’Université de technologie de Delft, met leur percée scientifique. Publié dans Nature, la découverte concerne les supraconducteurs, qui sont une classe de matériaux offrant une conductivité électrique sans perte. La recherche démontre que les supraconducteurs peuvent également être conçus pour ne transporter le courant électrique que dans une seule direction, ce qui était auparavant considéré comme impossible. La découverte pourrait finalement permettre à l’électronique de devenir non seulement plus efficace mais aussi plus performante par des centaines de facteurs, peut-être même déverrouillant l’ère des térahertz, rien de moins.
Les supraconducteurs sont des matériaux qui transportent le courant sans aucune résistance. Cela signifie (toutes choses étant égales par ailleurs) que les signaux ne perdent pas leur intégrité et qu’il n’y a pas de perte d’énergie sous forme de chaleur – quelle que soit la distance physique réelle séparant les points d’origine et de destination du signal – même si vous deviez le mesurer en Unités astronomiques (UA).
Le problème des matériaux supraconducteurs est qu’en raison de leurs caractéristiques, il devient impossible de contrôler le flux d’électrons. Puisqu’il n’y a pas de résistance sur toute la longueur du matériau, il n’y a pas non plus de moyen facile de l’ajouter, et le courant circule aussi bien vers l’avant que vers l’arrière. Le flux d’électrons peut généralement être contrôlé par le déploiement de champs électromagnétiques. Mais ceux-ci sont extrêmement difficiles à concevoir, contrôler et déployer à l’échelle nanométrique des processus de fabrication actuels, ce qui réduirait les coûts et l’évolutivité.
Les scientifiques ont résolu ce problème en remplaçant les composants classiques des jonctions Josephson, qui sont utilisées pour briser la symétrie des matériaux. Pour ce faire, ils ont déployé un nouveau matériau quantique – qui sont essentiellement des matériaux classiques qui ont été manipulés (ou rasé) vers leur taille minimale possible (généralement aussi épaisse que les molécules elles-mêmes). Les scientifiques appellent leur nouvelle conception « Quantum Material Josephson Junctions » et l’ont basée sur le matériau quantique Nb3Br8.
Comme le graphène, Nb3Br8 est un matériau 2D qui, selon l’équipe de recherche, pourrait être l’hôte d’un dipôle électrique net – une structure particulièrement utile qui permet de briser la symétrie supraconductrice. Grâce à ce matériau, les chercheurs pouvaient désormais contrôler le flux de courant sur leur matériau supraconducteur, ordonnant au chaos d’électrons d’avoir un chemin « vers l’avant », où les électrons peuvent parcourir le supraconducteur sans aucune résistance, et une direction « vers l’arrière », celui vers lequel les scientifiques ne voulaient pas que leurs électrons libres se dirigent.
Imaginez avoir un morceau de velours dans vos mains. Si vous tracez un doigt dans la direction des fibres, vous rencontrez peu ou pas de résistance perceptible. Mais si vous allez à l’encontre des fibres, la sensation de douceur disparaît en grande partie – il y a une différence entre les directions.
Le Conseil néerlandais de la recherche (NWO) estime que l’avantage de l’efficacité supraconductrice permettrait à lui seul une réduction de 10 % de la consommation mondiale d’énergie occidentale par rapport aux semi-conducteurs traditionnels. Dans le même temps, les fabricants de puces sauteraient sur l’occasion de réduire la chaleur et le gaspillage d’énergie électrique dans leurs conceptions, comme ils le font toujours lorsque cela est économiquement faisable.
Mais un autre élément de cette recherche est le type d’augmentation de performances que les supraconducteurs peuvent débloquer par rapport à leurs homologues semi-conducteurs traditionnels (qui, vous l’avez deviné, ne délivrent qu’une partie du courant d’origine vers la destination en raison de la résistance électrique naturelle du matériau). Selon Mahzar Ali, cette nouvelle percée scientifique pourrait ouvrir la voie à une évolution transformatrice dans l’industrie de la fabrication de puces. Une technologie qui n’a été réalisée qu’avec des semi-conducteurs peut désormais potentiellement être réalisée avec des supraconducteurs – offrant jusqu’à 300 à 400 fois les fréquences de fonctionnement des matériaux classiques. En fin de compte, a-t-il dit, la possibilité est réelle pour toutes sortes d’applications sociétales et technologiques.
Les chercheurs ne s’attendent pas à ce que les consommateurs, ni même les passionnés de PC les plus purs et durs, aient accès de si tôt à l’informatique supraconductrice. Bien que cela puisse changer avec le temps et d’autres recherches sur les matériaux, cela ne signifie pas que l’impact de la percée est amoindri. Les chercheurs s’attendent à ce que les centres de données et les superordinateurs soient les premiers à adopter des conceptions supraconductrices. Mais avec la poussée croissante vers les services cloud, comme le système d’exploitation Windows 365 Cloud de Microsoft et les jeux en nuage, il y a un impact réel à la fois sur la durabilité environnementale et sur l’expérience de l’utilisateur final.
Comme dans toutes les recherches – et en particulier les plus révolutionnaires – il reste encore beaucoup de travail à faire avant que cela ne se traduise par des produits concrets. Pour l’instant, les scientifiques se concentrent sur la réduction de la température de fonctionnement de leur conception. L’objectif est de réaliser des « supraconducteurs à haute température » qui permettraient aux diodes Josephson de fonctionner à des températures de 77 Kelvin (-192 ºC), suffisamment élevées pour que le refroidissement soit assuré par l’azote liquide, déjà utilisé pour permettre la les records d’overclocking les plus impressionnants au monde sur certains des meilleurs processeurs et des meilleurs GPU.
Un autre élément à aborder est, naturellement, la mise à l’échelle de la production. Alors que les travaux des chercheurs prouvent que les supraconducteurs peuvent réellement être exploités dans les nanodispositifs, il y a un monde de différence entre la fabrication à des fins académiques et le jeu à haut rendement des fonderies. Si les chercheurs peuvent concevoir un moyen d’augmenter la production vers des millions de diodes Josephson dans une seule puce à l’échelle nanométrique, tous les paris sont ouverts pour la course au térahertz. C’est suffisant pour que même mon vieux Netburst Pentium 4 se blottit contre un coin.