Qu’est-ce que la matière quantique topologique?
La matière quantique topologique est un domaine d'étude fascinant qui explore des phases de la matière ayant des propriétés électroniques uniques, dues à des effets topologiques, et ouvre la voie à des applications technologiques innovantes.
Comme notre dépendance à l'égard des technologies à base de silicium est confrontée à des défis importants en raison de barrières physiques intrinsèques, la résolution de ces problèmes pourrait exiger que l'on s'éloigne du silicium, l'élément fondamental des dispositifs contemporains.
L'utilisation du silicium a évolué de manière significative depuis l'époque des Égyptiens, il y a 2 000 ans, qui l'utilisaient pour fabriquer des pigments colorés. Aujourd'hui, le silicium, qui est abondant sur Terre, est devenu un élément essentiel de notre vie quotidienne. Il est particulièrement omniprésent dans les secteurs de la microélectronique et des communications, notamment dans les téléphones cellulaires.
L'utilisation d'autres catégories de matériaux plus efficaces, tels que les matériaux quantiques, est donc essentielle. Les avancées dans ces domaines permettront de développer des technologies respectueuses de l'environnement et de répondre aux problèmes urgents du changement climatique et de la demande d'énergie.
Explorer de nouveaux matériaux quantiques grâce à la chimie quantique topologique
Les travaux de la professeure Vergniory sont précurseurs dans le domaine de la chimie quantique topologique, une discipline qui fusionne la mécanique quantique et la science des matériaux. Cette discipline permet de comprendre les structures électroniques des matériaux en reliant leurs propriétés topologiques à leurs symétries chimiques et orbitales, en utilisant à la fois la théorie des graphes et la théorie des groupes.
Ce nouveau cadre améliore notre compréhension des matériaux tels que les isolants topologiques et les semi-métaux en unifiant l'accent mis par les chimistes sur la liaison et les interactions locales et l'accent mis par les physiciens sur les structures de bandes électroniques. Il nous permet de classer et de prédire les phases topologiques, ce qui facilite la découverte de nouveaux matériaux topologiques.
Ces matériaux récemment découverts présentent des propriétés électroniques uniques, avec des intérieurs isolants et des surfaces conductrices très résistantes aux défauts et aux interactions. Ces caractéristiques recèlent un immense potentiel d'applications dans divers domaines.
Faire le lien entre la théorie et les applications pratiques
Actuellement, la transition des matériaux topologiques vers les technologies quantiques n'en est qu'à ses débuts. L'objectif de la professeure Vergniory est de stimuler cette transition en découvrant de nouveaux matériaux topologiques fonctionnels. Ce projet hautement interdisciplinaire se situe au carrefour de la physique, de la chimie et de l'informatique.
En utilisant la chimie quantique topologique, son équipe a déjà identifié que, parmi les matériaux de l'Inorganic Crystal Structure Database (ICSD) - le plus grand répertoire de structures cristallines inorganiques entièrement identifiées - environ 50 % présentent des propriétés topologiques. La structure électronique et les propriétés topologiques de ces matériaux ont été téléchargées sur un site Web public.
Malgré ce succès, il reste encore beaucoup à faire, et la chimie quantique topologique s'est jusqu'à présent appuyée sur les calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), qui échouent dans le cas de matériaux présentant de fortes corrélations électroniques.
Un objectif important est d'intégrer les corrélations électroniques dans la théorie et de faire le lien entre la découverte de matériaux basée sur la chimie quantique topologique et la conception de dispositifs technologiquement utiles.
Les propriétés uniques des matériaux topologiques permettent une série d'applications transformatrices. Leurs états électroniques robustes peuvent accroître l'efficacité des composants microélectroniques, améliorer les performances des catalyseurs, affiner les convertisseurs thermoélectriques et conduire au développement de supports de stockage magnétiques innovants.
En incorporant des corrélations électroniques dans la chimie quantique topologique, la professeure Vergniory vise à libérer le potentiel des matériaux quantiques à fortes interactions électroniques, tels que les supraconducteurs à haute température, en élargissant encore le champ des technologies quantiques tout en contribuant à la création de technologies respectueuses de l'environnement.