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Créer de nouveaux matériaux à l’aide des blocs LEGO de l’avenir

Pour la plupart des gens, le monde à l’échelle atomique des matériaux quantiques est un univers impénétrable. Jennifer Hoffman le fait toutefois paraître comme une version un peu plus complexe des blocs LEGO.

Mme Hoffman a quitté son poste de professeure de physique à la Harvard University pour accepter la chaire d’excellence en recherche du Canada sur les dispositifs et les matériaux quantiques fondés sur des hétérostructures à base d’oxyde de la University of British Columbia. Là, elle mettra sur pied un laboratoire dans le but de concevoir de nouveaux matériaux quantiques en couches. Jennifer Hoffman espère que sa recherche débouchera sur de stimulantes découvertes en physique fondamentale assorties d’éventuelles applications en énergie, en informatique et même dans le secteur médical.

« L’expertise de Jennifer Hoffman en ce qui concerne les matériaux quantiques rehaussera grandement la réputation du Canada dans le domaine. Le regroupement d'autres chercheurs de ce domaine permettra d'explorer différentes possibilités dans ce champ de recherche stimulant. Le recrutement de personnes talentueuses comme Mme Hoffman permettra au Canada de jouer un rôle important sur la scène internationale. »

B. Mario Pinto
Président du CRSNG

« La possibilité de construire des matériaux en trois dimensions sera probablement critique pour l’avenir de l’informatique, a indiqué Mme Hoffman.

Même si la base de données des structures cristallines inorganiques comporte actuellement plus de 177 000 composés, Mme Hoffman soutient que l’avenir ne se limite pas à l’exploration ni à l’utilisation de matériaux connus. « Ce que je compte faire, affirme-t-elle, c’est examiner les interfaces entre les matériaux existants et voir quelles nouvelles propriétés on peut obtenir. »

« Je prévois créer de nouveaux matériaux de la même façon qu’on joue avec des blocs LEGO. Le tout consiste à faire évaporer de nouveaux matériaux, quelques atomes à la fois, sur une surface plate, à l’aide d’une technique appelée épitaxie par faisceaux moléculaires. »

En constituant les matériaux une couche à la fois, comme on empile des pièces LEGO, la titulaire de chaire sera en mesure de gérer la structure d’un nouveau matériau. Elle ajoutera ensuite une variante, à l’aide d’un outil appelé microscope à effet tunnel.

« En jumelant les deux outils (l’épitaxie par faisceaux moléculaires et le microscope à effet tunnel), nous pourrons former des couches sur l’axe vertical avec une précision atomique et déplacer les atomes individuellement à l’horizontale. On peut trouver le moyen de construire pratiquement tout ce qu’on peut imaginer… si on y consacre l’effort requis. »

Selon Mme Hoffman, cette « construction atomique LEGO en trois dimensions » pourrait servir à prototyper de nouveaux matériaux. « Nous songeons au prototypage de nouveaux dispositifs, mais imaginez que nous puissions prototyper de nouveaux matériaux, placer les atomes à notre guise et voir s’ils peuvent être intégrés à de nouvelles structures aux propriétés nouvelles, notamment de meilleurs supraconducteurs! »

L’objectif final consiste à créer de nouvelles structures chimiques et de nouvelles interfaces entre les matériaux. Pour démontrer que ce projet est réalisable, Mme Hoffman cite une découverte récente effectuée à la Tsinghua University, en Chine. Grâce à l’épitaxie par faisceaux moléculaires (évaporation couche atomique par couche atomique), des chercheurs chinois ont produit un contact chimique entre deux composés dont la supraconductivité exigeait de basses températures. Les chercheurs ont obtenu une température supraconductrice fonctionnelle de plus de 100 degrés Kelvin à l’interface―ce qui est bien plus froid que la température la plus froide se produisant naturellement sur la Terre.

« Ce n’est encore que -170 degrés Celsius, souligne Mme Hoffman. Mais c’est une amélioration selon un facteur de 10 et plus par rapport aux composés pris individuellement. Et cette amélioration a été possible en combinant des matériaux existants. Imaginez ce que nous pourrions réaliser en utilisant de nouveaux matériaux que nous créons nous-mêmes. »

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