Chaire d'excellence en recherche du Canada en matière quantique topologique

Notre dépendance à l’égard des technologies à base de silicium se heurte à des limitations fondamentales liées aux propriétés physiques des matériaux comme la taille des atomes ou encore la quantité de chaleur produite. Ces limitations imposent une contrainte à la miniaturisation de plusieurs dispositifs qui entrent dans la fabrication de nombreux produits de consommation considérés comme essentiels. À la lumière des problèmes urgents que sont les changements climatiques et la forte demande en énergie, il devient nécessaire de trouver des alternatives au silicium.

Des experts prévoient qu'en 2025, plus de 175 zettaoctets (10^21) seront stockés à l’échelle mondiale. L'émergence de technologies telles que la 5G entraînera une demande croissante en calcul, stockage et transfert de données. Cette quantité colossale est appelée à continuer d'augmenter. Source : 175 Zettabytes By 2025 (forbes.com)

Pour faire face à cette demande accrue, l’intégration de plusieurs composants optiques et électroniques en un seul circuit intégré photonique (CIP) est perçue comme la solution idéale. La micro et la nanofabrication permettent cette intégration de composants. Pour le moment, ces composants sont faits de silicium. Cependant, ses limites physiques nous invitent à chercher des matériaux de rechange.

L’utilisation d’autres catégories de matériaux, plus performants, tels que des matériaux quantiques, devient essentielle pour réduire nos besoins en énergie. Toutefois, découvrir les composés qui conviennent aux applications quantiques, parmi les dizaines de milliers de composés chimiquement stables, a toujours été une tâche ardue.

Pour arriver à identifier ces nouveaux matériaux, la professeure Maia Vergniory s’appuiera sur un domaine de recherche dont elle est cocréatrice : la chimie quantique topologique.

La création d’une nouvelle branche de la chimie quantique topologique

La chimie quantique topologique est un domaine relativement récent de la chimie et de la physique qui étudie les propriétés électroniques ainsi que les comportements des matériaux en utilisant des concepts de la théorie quantique et de la topologie. La topologie est une branche des mathématiques qui étudie les propriétés d'un objet qui restent invariantes sous des déformations continues, comme l'étirement ou le pliage, mais pas la déchirure ou le collage. En physique et en chimie, la topologie aide à comprendre les propriétés globales et les comportements de systèmes complexes, souvent liés aux états quantiques des matériaux.

Selon la professeure Vergniory, la solution pourrait se trouver dans les matériaux topologiques découverts récemment. Ces matériaux présentent des propriétés fascinantes et représentent le triomphe de la science théorique des matériaux. Son travail précurseur a donné naissance à la chimie quantique topologique qui accélère la classification et la prédiction des matériaux topologiques. En conclusion, les matériaux quantiques topologiques offrent des possibilités sans précédent pour le développement des technologies quantiques.

Les travaux de recherche seront divisés en sous-projets différents, interconnectés entre eux, chacun d'entre eux alimentant les autres.

Le développement de la chimie quantique topologique pour la découverte de matériaux topologiques

Les travaux de recherche sont axés sur la découverte et la conception de matériaux quantiques potentiellement commercialisables. Grâce à l'informatique de haute performance, la simulation, ainsi que leur application à la microélectronique et nanoélectroniques à plus faible consommation d'énergie, l’équipe de recherche compte trouver des nouveaux matériaux ayant des propriétés supérieures aux semi-conducteurs conventionnels comme le silicium.

L’exploration des métamatériaux topologiques, des matériaux composés de structures périodiques autres que des atomes

Pour obtenir des matériaux fonctionnels, l’équipe de recherche étudiera des composés dont les propriétés sont précisément adaptées à une application spécifique. Parmi les milliers de matériaux candidats, seuls quelques-uns présentent la bonne combinaison de propriétés nécessaires à une application donnée. Trouver le bon matériau n'est possible qu'avec un cadre de principe permettant de prédire et de modéliser les propriétés des matériaux sans qu'il soit nécessaire de synthétiser chaque matériau.