Les découvertes technologiques révolutionnaires des prochaines décennies, ceux qui changeront le quotidien, peuvent provenir de nouveaux matériaux si petits qu'ils font ressembler les nanomatériaux à des mastodontes grumeleux.

Ces nouveaux matériaux seront conçus et affinés à l'échelle du picomètre, qui est mille fois plus petit qu'un nanomètre et un million de fois plus petit qu'un micromètre (qui lui-même est plus petit que la largeur d'un cheveu humain). Pour faire ce travail, les scientifiques auront besoin d'une formation sur une gamme de nouveaux équipements capables de mesurer et de guider ces matériaux parfaitement contrôlés. Le travail consiste à concevoir les matériaux théoriquement, les fabriquer, et caractériser leurs propriétés.

À l'université de Yale, ils ont un nom pour cela; ils l'appellent "picoscience".

"Les chercheurs de Yale inventent de nouveaux matériaux qui sont petits, vite, et peut fonctionner de multiples façons, telles que l'imitation des neurones dans le cerveau, calcul avec des aimants, et calculer avec la mécanique quantique, " a déclaré Frédéric Walker, un chercheur scientifique principal dans le laboratoire de Charles Ahn, le professeur John C. Malone de physique appliquée, Génie mécanique et science des matériaux, et physique, et président du Département de physique appliquée.

Ahn est l'auteur principal d'une nouvelle étude qui pousse la picoscience dans une autre direction :prendre des éléments du tableau périodique et les bricoler au niveau subatomique pour découvrir de nouveaux matériaux.

Sangjae Lee, un étudiant diplômé du laboratoire d'Ahn et premier auteur de l'étude, conçu et développé le nouveau matériel, qui est un artificiel, cristal stratifié composé des éléments lanthane, titane, cobalt, et de l'oxygène.

Les chercheurs ont superposé les éléments un plan atomique à la fois, de sorte que des feuilles d'oxyde de titane d'une épaisseur d'un atome transfèrent un électron à des feuilles d'oxyde de cobalt d'une épaisseur d'un atome. Cela a changé la configuration électronique et les propriétés magnétiques de la feuille d'oxyde de cobalt.

"Nous avons pu manipuler les atomes constitutifs avec une précision beaucoup plus petite que l'atome lui-même, " Lee a déclaré. "Ces types de nouveaux cristaux peuvent constituer la base du développement de nouveaux matériaux magnétiques, où un équilibre délicat entre le magnétisme et la conduction électronique à de si petites échelles de longueur peut être manipulé dans le roman, des dispositifs de type transistor qui présentent des avantages en termes de performances par rapport aux transistors d'aujourd'hui."

Lee s'est entraîné sur un certain nombre d'instruments en cours de développement à la National Synchrotron Light Source II du Brookhaven National Laboratory à New York. Un synchrotron est une machine à peu près de la taille d'un terrain de football qui accélère les électrons presque à la vitesse de la lumière. Les électrons génèrent des faisceaux de rayons X extrêmement brillants qui sont utilisés par les chercheurs dans des expériences.

La nouvelle étude paraît dans la revue Lettres d'examen physique et présente des co-auteurs de Yale, Brookhaven, l'Institut Flatiron, et Laboratoire National d'Argonne. Les co-auteurs de Yale, en plus d'Ahn et Lee, sont Sohrab Ismail-Beigi, Alex Taekyung Lee, Marcheur, Ankit Disa, et Yichen Jia.

En plus de concevoir et de cultiver les nouveaux matériaux, Sangjae Lee les a caractérisés et analysé les résultats. Du côté théorique, collègues de Yale Alex Taekyung Lee et Alexandru Georgescu, qui est maintenant au Center for Computational Quantum Physics au Flatiron Institute, utilisé des calculs de mécanique quantique pour calculer la structure des matériaux et son effet sur leur configuration électronique. Ce travail a permis à l'équipe de décrire l'état magnétique des matériaux.

Yale a identifié le développement de matériaux quantiques comme un domaine de recherche prioritaire, prévoyant leur utilisation dans de nouveaux systèmes informatiques qui dépasseront de loin les ordinateurs d'aujourd'hui. L'université a également noté l'importance des collaborations avec Brookhaven, qui possède certaines des installations de caractérisation des matériaux les plus avancées aux États-Unis, y compris le plus récent synchrotron du pays.

« L'invention de nouveaux matériaux a été au cœur des avancées technologiques qui ont transformé nos vies, " a déclaré le co-auteur Ismail-Beigi, professeur de physique appliquée à Yale. "Les nouveaux matériaux électroniques ont entraîné les capacités toujours croissantes des téléphones portables, des ordinateurs, comprimés, montres intelligentes, et dispositifs médicaux."

Le co-auteur Walker a souligné l'importance de la communication entre les expérimentateurs et les théoriciens dans la conduite de la recherche en picosciences :« Une boucle de rétroaction synergique entre la conception théorique et la fabrication expérimentale est cruciale pour réussir à découvrir de nouvelles propriétés de matériaux, ", a-t-il déclaré. "Cette boucle de rétroaction est devenue une signature du programme de découverte de matériaux de la National Science Foundation et a été développée à l'origine à Yale."