Une nouvelle façon de contrôler la lumière pour des ordinateurs plus rapides à l'avenir

Des scientifiques ont créé un nouveau type de métamatériau capable d'offrir une fonctionnalité complète de blocage de la lumière pour l'informatique photonique.

A Un métamatériau est un matériau artificiel. dont les propriétés ne proviennent pas de la composition chimique de leurs composants de base, mais de leur structure interne soigneusement conçue. De ce fait, ces matériaux peuvent présenter des caractéristiques inhabituelles. propriétés qui ne sont pas trouvés dans les matériaux naturels.

Ces matériaux sont généralement composés de plusieurs matériaux, tels que des métaux et des plastiques, agencés en structures répétitives de taille inférieure à la longueur d'onde. Leur forme, leur taille, leur géométrie, leur orientation et leur agencement leur confèrent leurs propriétés, leur permettant de manipuler les ondes électromagnétiques, acoustiques ou sismiques en les absorbant, les réfractant, les amplifiant ou les bloquant, pour des résultats impossibles à obtenir avec des matériaux conventionnels.

Le nouveaux métamatériaux conçus¹ combiné par des scientifiques de l'Université de New York Voilà généralement associé aux liquides et aux cristaux mais surpasser tous les deux d'entre eux par sa capacité à bloquer la lumière incidente provenant de tous les angles.

Appelés gyromorphes, ces nouveaux matériaux désordonnés à corrélation fonctionnelle associent un caractère aléatoire semblable à celui des liquides à des motifs structuraux à grande échelle, bloquant ainsi la lumière provenant de toutes les directions. L'étude indique :

"Nous générons des gyromorphes en 2D et 3D par des méthodes d'optimisation spectrale, et vérifions qu'ils présentent un fort ordre rotationnel discret mais aucun ordre translationnel à longue portée, tout en conservant l'isotropie rotationnelle à courte portée pour des valeurs suffisamment élevées de . G." 

Grâce à cette innovation, les chercheurs ont résolu limitations des conceptions à base de quasicristaux qui ont longtemps cela me dérangeait scientifiques. Cela peut également contribuer à faire progresser le domaine de l'informatique photonique.

Des quasicristaux aux gyromorphes en informatique photonique

En informatique photonique, les photons au lieu de courants électriques sont utilisés pour la performance calculs. Cette nouvelle génération d'ordinateurs, une fois réalisée, pourra être bien plus efficace et rapide que les machines conventionnelles traditionnelles.

Avec Traitement des données à la vitesse de la lumièreElle est prometteuse pour les tâches à hautes performances comme l'IA, mais cette technologie est actuellement confrontée à des défis en matière de miniaturisation et de coût. 

Les progrès réalisés dans ce domaine ont permis le développement de puces photoniques fonctionnelles destinées à être intégrées dans des serveurs informatiques haute performance. Mais l'informatique basée sur la lumière est encore en développement. à un tôt étapedes chercheurs peinent à contrôler les flux microscopiques de lumière traversant une puce. 

Des matériaux soigneusement conçus sont ce dont nous avons besoin pour rediriger avec succès ces minuscules signaux optiques sans en affaiblir la puissance. Maintenir la force de ces signaux nécessite a spécialisé, léger la substance dans la Un dispositif qui empêche la lumière parasite d'entrer de quelque direction que ce soit. 

Un élément crucial pour y parvenir est l'incorporation du matériau à bande interdite isotrope. Ce matériau bloque la propagation de la lumière et des autres ondes dans toutes les directions, tant que leurs fréquences se situent dans sa bande interdite. Il peut être désordonné tout en étant hyperuniforme, c'est-à-dire dépourvu d'ordre translationnel à longue portée mais présentant un type de désordre spécifique et contrôlé.

Lors de la conception de matériaux à bande interdite isotrope, les chercheurs ont longuement concentré sur les quasicristaux.

Ces structures qui Elles suivent des règles mathématiques mais ne se répètent pas comme les cristaux traditionnels. ont été découverts pour la première fois par le scientifique Dan Shechtman retour au début des années 1980, pour lequel il a reçu le prix Nobel en chimie en 2011.

La découverte a été faite lors de recherches sur l'aluminium et le manganèse. Lorsque les deux métaux ont fondu ensemble et refroidis rapidement pour former un alliage, ils présentaient une symétrie décuplée sous un microscope électronique, une propriété qui ne se manifeste pas dans les structures cristallines telles que les métaux.

Les quasicristaux possèdent des propriétés des structures cristallines, comme les diamants, ce qui signifie qu'ils sont organisés Ils se présentent sous forme de motifs, ainsi que de structures amorphes comme le verre, ce qui signifie que ces motifs ne se répètent pas. Leurs propriétés uniques rendent les quasicristaux à la fois résistants et fragiles.

Dans une étude menée par l'Université du Michigan plus tôt cette année, Les chercheurs ont découvert que les quasicristaux sont des matériaux fondamentalement stables.² malgré leur similarité avec les solides désordonnés.

« Il est essentiel de savoir agencer les atomes en structures spécifiques pour concevoir des matériaux aux propriétés souhaitées », a souligné Wenhao Sun, co-auteur de l’étude et professeur adjoint en sciences et génie des matériaux à l’Université Dow. « Les quasicristaux nous ont obligés à repenser la manière dont certains matériaux se forment et les raisons de ce phénomène. »

Fournir le des réponses à juste pourquoi les quasicristaux existent ou comment ils sont formés, les chercheurs avaient comprendre d'abord juste ce qui les rend stables. Pour cela, ils ont dû déterminer if Les quasicristaux sont stabilisés par l'enthalpie ou l'entropie. so les chercheurs a nanoparticules plus petites à partir d'un bloc simulé plus grand of quasicristal, puis calculé énergie totale in chaque nanoparticule.

Les chercheurs ont découvert que les deux quasicristaux bien étudiés, un alliage de scandium et de zinc et un alliage d'ytterbium et de cadmium, sont stabilisés par l'enthalpie.

Pour effectuer ces calculs, l'équipe a utilisé des simulations quantiques de quasicristaux, et pour résoudre le informatique goulot d'étranglement, ils n'avaient que le Les processeurs voisins communiquent plutôt que chaque processeur individuellement. ordinateur processeur Ils communiquaient entre eux, ce qui a permis de rendre leur algorithme jusqu'à 100 fois plus rapide.

« Nous pouvons désormais simuler le verre et les matériaux amorphes, les interfaces entre différents cristaux, ainsi que les défauts cristallins qui peuvent permettre la création de bits pour l'informatique quantique. »

– Vikram Gavini, professeur de génie mécanique à l'UM et la science des matériaux et ingénierie

En autre Une étude, le Institut national des normes et de la technologie (NIST) Des scientifiques ont découvert des quasicristaux dans un nouvel alliage d'aluminium-zirconium.³, Qui a été élaboré formé sous le des conditions extrêmes de l'impression 3D métal.

L'ajout de zirconium à la poudre d'aluminium permet d'imprimer des alliages d'aluminium à haute résistance, mais l'équipe du NIST souhaitait comprendre ce qui rend ce métal si résistant. ça peut être utilisé dans des composants critiques comme les pièces d'avions militaires. 

Ils ont découvert que les quasicristaux en étaient responsables. La rupture de la structure régulière des cristaux d'aluminium renforce l'alliage.. En l'observant sous un angle précis, l'équipe a découvert la symétrie de rotation quintuple « très rare », en plus des symétries binaire et ternaire. de deux angles différents.

CeSelon Fan Zhang, physicien au NIST et co-auteur de l'étude, « cela ouvrira la voie à une nouvelle approche de la conception des alliages. Les recherches montrent que… » « Les quasicristaux peuvent rendre l’aluminium plus résistant. On pourrait maintenant essayer de les créer intentionnellement dans de futurs alliages. »" il ajouta.

Au cœur de la révolution des gyromorphes : les matériaux à bande interdite isotrope

Les quasicristaux sont très prometteurs. avoir même la capacité à bloquer complètement la lumièreMais seulement depuis certaines directions. Et bien qu'elles puissent atténuer la lumière venant de toutes les directions, elles ne peuvent pas l'arrêter complètement.

Pour surmonter cette limitation, les scientifiques recherchent des alternatives capables de bloquer plus efficacement la lumière dégradant le signal. Ce Ces travaux ont permis le développement des gyromorphes, qui peuvent contribuer à la fabrication de matériaux empêchant plus efficacement la lumière parasite de pénétrer de toutes les directions. Selon Stefano Martiniani, professeur adjoint de physique, chimie, mathématiques et neurosciences et principal auteur de l'étude :

« Les gyromorphes sont uniques en leur genre, car leur composition particulière permet d'obtenir des matériaux à bande interdite isotrope de meilleure qualité que ceux accessibles par les approches actuelles. » 

Cependant, un obstacle majeur dans la conception de ces matériaux, dont les propriétés dépendent de leur architecture, réside dans l'agencement nécessaire pour parvenir à les propriétés physiques souhaitées.

Publié dans Physical Review Letters, le Des chercheurs de l'Université de New York détaillent une stratégie inédite⁴ pour ajuster le comportement optique.

L'équipe a mis au point un algorithme capable de produire des structures fonctionnelles présentant un certain désordre intrinsèque. Cette nouvelle forme de « désordre corrélé » se situe entre deux extrêmes : l'ordre absolu et le hasard absolu.

« Imaginez les arbres d'une forêt : ils poussent à des endroits aléatoires, mais pas complètement aléatoires car ils sont généralement espacés d'une certaine distance. Ce nouveau motif, les gyromorphes, combine des propriétés que nous pensions incompatibles et présente une fonction qui surpasse toutes les alternatives ordonnées, y compris les quasicristaux. »

- Martiniani

Au cours de leurs recherches, l'équipe a observé que tous les matériaux à bande interdite isotrope présentaient la même signature structurale. Ils se sont donc attachés à la rendre « aussi prononcée que possible », ce qui a abouti à la création de gyromorphes.

La nouvelle classe de matériaux ainsi créée, explique Mathias Casiulis, chercheur postdoctoral au département de physique de l'université de New York et principal auteur de l'étude, « concilie des caractéristiques apparemment incompatibles », car elle ne possède pas de structure cristalline fixe et répétitive, ce qui lui confère un désordre comparable à celui d'un liquide. Pourtant, vue de loin, elle forme des motifs réguliers.

« Ces propriétés agissent de concert pour créer des bandes interdites que les ondes lumineuses ne peuvent pénétrer d'aucune direction. »

– Casiulis 

L'équipe a également introduit des « polygyromorphes » présentant de multiples symétries de rotation à différentes échelles de longueur afin de permettre la formation de plusieurs bandes interdites dans une seule structure, ouvrant ainsi la voie à un contrôle précis des propriétés optiques.
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IA et matériaux quantiques de nouvelle génération en phase de découverte

À mesure que les chercheurs explorent plus en profondeur les matériaux de nouvelle génération, des classes de matériaux entièrement nouvelles émergent.

Récemment, une équipe de recherche dirigée par le laboratoire de Berkeley du département de l'Énergie a découvert que… signalement de la découverte⁵ du « berkélocène », une molécule organométallique contenant le berkélium, un élément chimique synthétique, lourd et radioactif.

Ces molécules sont constituées d'un ion métallique entouré d'une structure à base de carbone, et bien qu'elles soient relativement courantes pour les premiers actinides, elles sont très peu connues pour les actinides plus récents.

"C'est la première fois que des preuves de la formation d'une liaison chimique entre le berkélium et le carbone sont apportées. ont été obtenus« Cette découverte apporte un nouvel éclairage sur le comportement du berkélium et des autres actinides par rapport à leurs homologues du tableau périodique », a déclaré coauteur Stefan Minasian, scientifique à la division des sciences chimiques du laboratoire de Berkeley, qui travaille à la préparation de composés organométalliques d'actinides, car ceux-ci leur permettent d'observer les structures électroniques distinctes des actinides.

Les actinides sont une série de 15 éléments métalliques radioactifs du tableau périodique, situés dans le bloc f. L'uranium et le plutonium sont des exemples d'actinides. Ils sont connus pour leurs propriétés radioactives et sont utilisés dans les réacteurs nucléaires et d'autres technologies.

L'année dernière, un partenariat entre des chercheurs de l'université d'Uppsala, en Suède, et de l'université Columbia, aux États-Unis, a abouti à découverte d'un matériau quantique 2D appelé CeSiI⁶, avec une structure cristalline composée de cérium, de silicium et d'iode. Sa structure cristalline ressemble à un arrangement bidimensionnel de Des couches distinctes, d'une épaisseur atomique. 

Les électrons du CeSil se comportent comme des fermions lourds, avec une masse effective jusqu'à 100 fois supérieure à celle des matériaux ordinaires. Cette masse effective est anisotrope ; elle dépend donc de la direction du mouvement des électrons dans les couches atomiques.

« Grâce à cette découverte, nous disposons désormais d'une plateforme matérielle considérablement améliorée pour étudier les structures électroniques corrélées. Les matériaux 2D sont comparables à un jeu de construction avec des pièces LEGO. Nos partenaires travaillent déjà à l'ajout de couches d'autres matériaux 2D afin de créer un nouveau matériau aux propriétés quantiques personnalisées. »

- Chin Shen Ong, du département de physique et d'astronomie d'Uppsala

En science des matériaux, les possibilités sont innombrables, et le choix du matériau adéquat constitue un obstacle majeur à la fabrication. New découvertes. Bien que les prédictions fondées sur la théorie et les validations expérimentales contribuent à éclairer la sélection, celle-ci est restée fragmenté.

Ce C’est là que l’informatique des matériaux pilotée par l’IA prend le relais, intégrant des connaissances à l’échelle quantique à de vastes ensembles de données pour examiner, modéliser et optimiser rapidement de nouveaux matériaux qu’il serait impossible de découvrir par la méthode conventionnelle d’essais et d’erreurs.

Une équipe de chercheurs de l'université de Tohoku construit un Construit par l'IA carte des matériaux⁷ unifier toute la données expérimentales avec des données de calcul ab initio représentatives, dans le but d'aider Les chercheurs trouvent le matériau adapté à une situation donnée.

La carte est un grand graphique avec des axes pour la similarité structurelle et les performances thermoélectriques (zT), chaque point de données représentant un matériau. Des documents similaires apparaissent ici dans close proximité. Comme ces matériaux sont généralement synthétisées et évaluée à l'aide de méthodes et d'appareils similaires, la carte permet aux expérimentateurs repérer rapidement les analogues de matériaux haute performance inconnus et de réutiliser les protocoles de synthèse existants comme prochaines étapes.

Ainsi, cet outil peut contribuer à réduire les coûts de développement et à accélérer l'innovation et son déploiement concret. À l'avenir, l'équipe prévoit d'étendre son cadre au-delà des matériaux thermoélectriques pour inclure les matériaux topologiques et magnétiques et d'intégrer des descripteurs supplémentaires afin de créer une conception de matériaux complète assistée par l'IA. plateforme de support.

« En offrant une vue d'ensemble intuitive de nombreux candidats, la carte aide les chercheurs à sélectionner d'un coup d'œil des cibles prometteuses ; par conséquent, elle devrait raccourcir considérablement les délais de développement des nouveaux matériaux fonctionnels.

– Professeur agrégé Yusuke Hashimoto

Parallèlement, une étude de l'Université de Göteborg a développé un modèle d'IA à déterminer efficacement la résistance et la durabilité⁸ de matériaux composites tissés.

Réaliser des tests physiques et des examens détaillés simulations informatiques Concevoir de nouveaux matériaux composites de haute qualité est « particulièrement difficile lorsque le composite est créé en tant que matériau textile tissé, où les fibres s'enroulent les unes autour des autres et se comportent différemment selon les forces auxquelles le matériau est soumis Est soumis « à », a fait remarquer Ehsan Ghane, doctorant au département de physique de l’université de Göteborg.

Bien que les ordinateurs puissent déjà simuler des microstructures réalistes basées sur les interactions et les influences d'un matériau, les matériaux composites tissés nécessitent encore des connaissances approfondies. ressources informatiques. Les réseaux neuronaux offrent une alternative, mais ils nécessitent de grandes quantités de données d'entraînement et peinent à extrapoler.L'équipe a donc développé un modèle d'IA généralisé qui ne nécessite pas autant de données.

Le modèle a été entraîné sur des données de simulation et d'essais existantes pour les matériaux constitutifs du composite, ce qui lui permet de prédire la durabilité du nouveau composite..

Alors que l'étude de Göteborg examinait des méthodes pour intégrer les lois des matériaux dans le modèle d'IA, une équipe de chercheurs de KAIST a combiné les lois physiques avec son modèle d'IA pour permettre l'exploration rapide de nouveaux matériaux même lorsque les données sont bruitées ou limitées.

L'identification de la propriété est l'un des clé mesures dans le développement de nouveaux matériaux, mais cela nécessite des quantités massives de données expérimentales et équipements coûteux, quelles limites efficacité de la recherche. L'équipe de KAIST a surmonté ce besoin en intégrant les lois qui régissent la déformation et l'interaction des matériaux et de l'énergie.

Les chercheurs ont rapporté une technique de réseau neuronal informée par la physique (PINN).⁹ détecter les propriétés des matériaux et leur comportement à la déformation en utilisant seulement une petite quantité de données à partir d'une seule expérience. Ils ont ensuite introduit un modèle d'IA, l'opérateur neuronal informé par la physique (PINO), qui comprend les lois de la physique. et peut se généraliser à des matériaux non observés.

Des chercheurs du MIT l'ont pris et même plus encore en développant un méthode qui intègre des informations provenant de sources multiples¹⁰: littérature, compositions chimiques, images microstructurales, et plus encore. 

Elle fait partie de la nouvelle plateforme Copilot. pour les scientifiques expérimentaux du monde réel (CREst). Leur méthode utilise des équipements robotisés pour permettre des tests à haut débit sur les matériaux, puis analyse les résultats. réintégrer de grands modèles multimodaux pour améliorer leurs recettes.

Les chercheurs ont utilisé cet « assistant, et non un remplaçant, pour les chercheurs humains ».s, " explorer plus de 900 chimies et réaliser 3 500 tests électrochimiques qui a conduit à la découverte d'un matériau catalytique qui a permis d'obtenir une densité de puissance record dans une pile à combustible pour générer de l'électricité.

Investir dans le progrès des sciences des matériaux

Dans le monde des sciences des matériaux, ATI Inc. (ATI ) L'entreprise est reconnue pour ses matériaux de spécialité de pointe et ses composants complexes. Elle produit des matériaux haute performance destinés aux marchés de l'aérospatiale, de la défense, du médical, de l'électronique et de l'énergie.

Les produits d'ATI sont fabriqués à partir d'alliages et de superalliages à base de nickel, de titane et d'alliages à base de titane, ainsi que d'alliages spéciaux. L'entreprise opère à travers deux segments :

• Matériaux et composants haute performance (HPMC)
• Alliages et solutions avancés (AA&S)

Avec une capitalisation boursière de 13.5 milliards de dollars, l'action ATI se négocie à 99.37 dollars, en hausse de 80.5 % depuis le début de l'année. Son BPA (sur 12 derniers mois) est de 3.10 et son PER (sur 12 derniers mois) de 32.09. La société verse un dividende d'un rendement de 0.32 %.