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Le texte suivant a été traduit automatiquement de l'allemand et n'a pas été post-édité.
Tout a commencé en 1911 avec la découverte que certains métaux, à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu (environ -273 °C), présentent des propriétés qu’ils n’ont pas au-dessus de ces températures : ils conduisent le courant sans aucune résistance. Les matériaux qui se comportent ainsi sont depuis lors appelés supraconducteurs. En 1986, des physiciens ont découvert qu’il existait également des « supraconducteurs à haute température », dont la température de transition est nettement supérieure à celle proche du zéro absolu. Le terme « haute température » doit toutefois être pris avec précaution : il ne s’agit généralement pas ici d’une température agréable de plus de 30 degrés sur une plage. Cela signifie plutôt que ces matériaux conduisent le courant sans résistance dès -196 °C. La science ne sait toutefois pas encore exactement pourquoi il en est ainsi.
Pour mieux comprendre les processus au sein des supraconducteurs et, à terme, développer des matériaux permettant une utilisation à des températures moins froides, davantage de recherche fondamentale est nécessaire. C’est là qu’interviennent Andreas Buchheit (mathématicien ; Université de la Sarre/ETH Zurich), Benedikt Fauseweh (physicien ; TU Dortmund), Torsten Keßler (mathématicien ; TU Eindhoven) et Kirill Serkh (mathématicien ; Université de Toronto). Ensemble, les quatre chercheurs principaux (responsables de groupes de travail) du projet financé par la Fondation Klaus Tschira souhaitent comprendre plus précisément ce qui se passe à l’intérieur d’un supraconducteur à haute température pour que le courant puisse y circuler sans résistance.
« Les supraconducteurs constituent une classe de matériaux unique, mais les supraconducteurs à haute température, en particulier, ne sont pas encore compris à bien des égards », explique Benedikt Fauseweh, qui développe avec son groupe des descriptions théoriques des supraconducteurs. « Nous nous intéressons notamment à ce que l'on appelle les phases topologiquement non triviales », ajoute Andreas Buchheit, qui a déjà mené, avec ses collègues, des travaux préliminaires dans ce domaine (cf. https://idw-online.de/de/news822713, https://idw-online.de/de/news842032).
Les chercheurs évoluent aux confins de la physique telle qu’on la connaît aujourd’hui, qu’ils souhaitent repousser à l’aide des mathématiques. « Nous avançons mathématiquement pas à pas pour identifier de nouveaux mécanismes physiques susceptibles d’augmenter la température critique des supraconducteurs », explique Buchheit. Il décrit ce qu’il entend par « phases topologiquement non triviales » : « On peut comparer ces états à un nœud fait dans un fil. Si je secoue ensuite le fil, le nœud reste néanmoins intact et ne se défait pas, à moins de tirer au bon endroit. Il en va de même pour ces matériaux : si je les « secoue », c’est-à-dire si je perturbe le système, ils restent néanmoins stables jusqu’à un certain degré de perturbation », explique le chercheur.
Concevoir le supraconducteur de manière à ce qu’il se comporte comme le nœud métaphorique et reste relativement stable malgré les influences extérieures constitue un défi de taille. En effet, les qubits, c’est-à-dire les unités de calcul qui correspondent aux bits dans un ordinateur classique, sont si sensibles que la moindre perturbation suffit à détruire l’état quantique. Jusqu’à présent, les ordinateurs quantiques sont des « divas capricieuses » qui refusent toute ingérence extérieure. Les supraconducteurs topologiques promettent ici d’adoucir quelque peu le caractère de ces « divas ».
Dans des travaux antérieurs, les chercheurs ont déjà montré que les interactions entre électrons sur de longues distances peuvent précisément conduire à un tel effet, qui stabilise le supraconducteur. Ces résultats doivent désormais être approfondis afin de permettre des simulations efficaces de supraconducteurs exotiques sur ordinateur, ce qui n’était pas possible avec les méthodes existantes. Cet objectif nécessite des opérations mathématiques sophistiquées : « Dans les simulations, les « nœuds » physiquement souhaitables apparaissent sous forme de singularités mathématiques. Leur traitement numérique requiert des méthodes et des algorithmes sur mesure, capables de détecter et de préserver de manière fiable de tels états », ajoute Torsten Keßler. Spécialisé dans les calculs à grande échelle dans le domaine des systèmes quantiques, il est cofondateur de la start-up « Simkinetic », qui a pour objectif d’accélérer considérablement les cycles de conception et de développement dans l’industrie de haute technologie grâce à de nouvelles impulsions issues de la recherche. « Les ordinateurs quantiques modernes basés sur des supraconducteurs présentent encore de nombreux inconvénients qui peuvent être attribués à des problèmes liés aux matériaux. Pour résoudre ces problèmes, nous avons besoin d’une compréhension fondamentale des supraconducteurs », explique Benedikt Fauseweh, qui étudie les opportunités et les difficultés liées aux ordinateurs quantiques (https://idw-online.de/de/news830505).
Les matériaux qui laissent passer le courant sans aucune résistance jouent un rôle décisif dans l'informatique quantique. Ils constituent la base des qubits dans les ordinateurs quantiques modernes. Si l'on savait comment transformer de manière ciblée un matériau en supraconducteur à des températures plus élevées – ce qui réduirait les besoins en refroidissement –, on ferait un grand pas en avant vers des états quantiques plus stables. Pour reprendre l'image d'Andreas Buchheit : le nœud du fil serait nettement plus solide.
Pour plus d'informations :
Dr Andreas Buchheit
Tél. : 0151 27246209
E-mail : andreas.buchheit(at)uni-saarland.de et andreas.buchheit(at)sam.math.ethz.ch
Dr Benedikt Fauseweh
Tél. : 0231 7552057
E-mail :benedikt.fauseweh@tu-dortmund.de
Dr Torsten Keßler
E-mail : t.kessler@tue.nl
Prof. Dr Kirill Serkh
E-mail : kserkh@math.toronto.edu
Dr Saskia Haupt
Téléphone : +49 (6221) 533-102
E-mail : saskia.haupt(at)klaus-tschira-stiftung.de
À propos de la Fondation Klaus Tschira :
Créée par le physicien et cofondateur de SAP Klaus Tschira (1940–2015), la fondation soutient les sciences naturelles, les mathématiques et l'informatique, en mettant l'accent sur la recherche, l'éducation et la communication scientifique. Son engagement à l'échelle nationale commence dès la maternelle et se poursuit dans les écoles, les universités et les instituts de recherche. La Fondation Klaus Tschira s'engage en faveur du dialogue entre la science et la société.
https://Klaus Tschira Stiftung.de/
