Comment la science des matériaux déterminera l'avenir de la civilisation humaine

L'une des caractéristiques extraordinaires de la révolution de la microélectronique est sa capacité à évoluer, une caractéristique capturée par la loi de Moore. Cela a conduit à une augmentation rapide et massive de la capacité de calcul - les smartphones haut de gamme d'aujourd'hui ont la puissance de calcul équivalente aux supercalculateurs les plus puissants du monde du début des années 1990. Les smartphones de demain seront encore plus puissants.

Mais il y a un problème en perspective. À mesure que les ordinateurs puissants se généraliseront, la quantité d'énergie qu'ils consomment augmentera. Si la loi exponentielle de Moore se poursuit, les appareils électroniques consommeront plus de la moitié du budget énergétique de la planète d'ici quelques décennies.

C'est clairement insoutenable. Alors que faire?

La structure du domaine ferroélectrique du manganate d'erbium.

Aujourd'hui, nous obtenons une sorte de réponse de Nicola Spaldin, scientifique des matériaux à l'ETH Zurich, en Suisse. Spaldin soutient que les scientifiques des matériaux peuvent sauver la planète, et leur solution se présentera sous la forme d'une percée fondamentale qui changera notre façon de penser les technologies de l'information et la façon dont nous les utilisons. Elle présente l'argument – ​​et indique une ou deux pistes potentielles pour cette percée – dans un article très divertissant.

Spaldin commence par montrer comment la civilisation humaine a été façonnée par les percées de la science des matériaux. La découverte de matériaux composites tels que la fibre et la résine a permis aux humains d'attacher des lames à des bâtons pour créer des couteaux et des haches.

La découverte remarquable des techniques de fusion, probablement dans les fours à poterie de l'âge de pierre, a conduit aux âges du bronze et du fer. Cela a provoqué des changements radicaux dans l'agriculture et a conduit à la création de villes et même de pays. La technologie des métaux a également conduit à des changements importants dans la technologie des armes et finalement, environ 4 000 ans plus tard, à la révolution industrielle.

Plus tard, la découverte de l'électron a conduit au développement du tube à vide, du transistor à semi-conducteurs et de la microélectronique en général. Le silicium ultra-pur nécessaire à l'électronique moderne a été initialement développé pour les récepteurs radar haute fréquence pendant la Seconde Guerre mondiale.

Chacune de ces percées dans la science des matériaux a changé le monde et la façon dont nous interagissons avec lui. Mais aucun d'entre eux n'était planifié et une grande partie du mode de vie qui les a précédés a été perdue lorsque ces changements se sont produits.

Spaldin soutient que quelque chose de similaire sera nécessaire pour surmonter la crise énergétique du silicium. On ne peut pas continuer avec le silicium, alors qu'est-ce qui va le remplacer ?

Une possibilité peut provenir des propres recherches de Spaldin sur les matériaux multiferroïques, qui ont à la fois des propriétés ferroélectriques et ferromagnétiques. Habituellement, la seule façon de modifier les propriétés magnétiques d'un matériau est d'utiliser un champ magnétique. Mais Spaldin et d'autres ont montré comment modifier les propriétés magnétiques des multiferroïques avec des champs électriques.

Cela a des implications importantes. Une grande partie du traitement et du stockage de l'information à base de silicium repose sur des propriétés magnétiques qui doivent être manipulées avec des champs magnétiques. La capacité de le faire plus efficacement avec des champs électriques est potentiellement transformatrice. Remplacer les champs magnétiques de nos technologies existantes basées sur le magnétisme par des champs électriques offre une formidable opportunité d'économies d'énergie, de miniaturisation et d'efficacité, dit-elle.

Les multiferroïques ont d'autres propriétés utiles. A l'intérieur de ces matériaux, des dipôles ferroélectriques peuvent s'aligner avec différentes orientations. Les dipôles alignés forment des régions appelées domaines et les frontières entre ces domaines s'avèrent intéressantes.

Spaldin dit que ces bordures forment des canaux conducteurs qui peuvent être déplacés et réarrangés à l'aide de champs électriques. Cela a une application potentielle dans de nouvelles architectures de mémoire ou de traitement de l'information, dit-elle.

La surface de ces matériaux multiferroïques possède également de curieuses propriétés électroniques qui peuvent être manipulées pour catalyser des réactions telles que la séparation de l'eau.

Nos nouveaux matériaux multiferroïques sont sur le point de permettre de nouveaux paradigmes d'appareils, et à leur tour des façons entièrement nouvelles de concevoir des technologies, dit-elle. Peut-être sommes-nous sur le point d'entrer dans une nouvelle ère multiferroïque ?

Fini notre dépendance au silicium et à la place nous dépendrons d'une industrie produisant du manganate d'erbium ou du manganate d'yttrium ou de la ferrite de bismuth et une nouvelle génération de dispositifs de traitement de l'information à haute efficacité énergétique.

Spaldin ne retient pas son souffle. De nombreux facteurs déterminent l'avenir de la technologie et aucun moyen de prédire comment ils se dérouleront. Les multiferroïques sont une possibilité mais il y en a sûrement beaucoup d'autres.

Et c'est son point principal. Cette histoire montre clairement que l'avenir à long terme n'est jamais une simple extrapolation d'aujourd'hui. Au lieu de cela, les idées perturbatrices changent le monde. Et la clé est de créer un environnement dans lequel cette perturbation peut se produire.

L'idée que les scientifiques des matériaux créeront cette révolution est cependant quelque peu ironique. Ce seront, bien sûr, les physiciens qui feront le travail important (toux).

Elle termine son argumentation par un appel passionné aux gouvernements, aux agences de financement et aux administrateurs universitaires.

Les véritables percées qui changeront le cours de l'histoire ne proviendront pas d'initiatives visant à améliorer des matériaux ou des dispositifs existants, ou à faire progresser des technologies déjà identifiées, dit-elle. Au lieu de cela, ils viendront d'individus décalés ou de petites équipes de chercheurs fondamentaux repoussant les limites de la connaissance dans des directions pour lesquelles il n'y a pas encore d'application.

En d'autres termes, la recherche fondamentale sera payante en dollars d'argent, si elle est soigneusement entretenue.

Réf : arxiv.org/abs/1708.01325 : Recherche fondamentale sur les matériaux et évolution de la civilisation humaine

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