Matériaux quantiques

Les technologies modernes, dans tous les domaines (information, communications, médecine, etc.) reposent sur les propriétés des matériaux à l’échelle atomique, que ce soient des métaux, des semi-conducteurs, des aimants ou des supraconducteurs. Ces propriétés vont au-delà de celles des atomes dont ces matériaux sont constitués. De même que la structure de ces atomes doit être comprise à l’aide de la physique quantique, ces propriétés souvent inusitées doivent être comprises à l’aide des lois de la physique quantique en tenant compte des interactions d’un grand nombre d’atomes. On appelle « matériaux quantiques » ces matériaux dont les propriétés inusitées (par exemple la supraconductivité) ne peuvent être comprises par des modèles simples ne faisant intervenir qu’un atome ou qu’un électron à la fois, mais qui requièrent une prise en compte des effets « collectifs » d’un grand nombre d’électrons en interaction constante.

Les supraconducteurs, qui perdent toute résistance électrique à basse température, sont l’exemple le plus frappant de matériaux quantiques. Les aimants de toutes sortes (ferroaimants, antiferroaimants, etc.) en sont aussi. Certains matériaux sont même isolants en volume, mais conducteurs en surface, avec une robustesse de comportement attribuable à des propriétés « topologiques ». On peut également fabriquer des matériaux « artificiels », couche d’atomes par couche d’atomes, dont les propriétés inusitées seraient configurables ou mises à profit dans des dispositifs électroniques.

L’Institut quantique abrite des laboratoires mondialement reconnus consacrés à l’étude des matériaux quantiques. Des groupes de recherche en physique expérimentale y soumettent des matériaux à des conditions extrêmes de température, de champ magnétique, de pression, afin de révéler le comportement collectif des électrons qui déterminent leurs propriétés et leurs applications. Des groupes de recherche en physique théorique utilisent des superordinateurs afin de prédire ou d’expliquer ces propriétés à partir de modèles simples de ces matériaux.