Matériaux quantiques

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À propos de ce programme

Comment la supraconductivité peut-elle transformer la société?

Les propriétés des matériaux ont une influence considérable sur nos vies : la conductivité électrique du cuivre ou la nature magnétique du fer sous-tendent le fonctionnement de technologies modernes, comme les ordinateurs, les satellites, les réseaux électriques et bien plus.

Bien qu’au fil des siècles nous ayons réussi à rehausser notre compréhension des propriétés de ces matériaux, il y a encore des surprises pour ceux qui savent où regarder. Dans des conditions extrêmes – par exemple, des températures très basses ou des pressions très fortes —, certains matériaux manifestent des propriétés, comme la supraconductivité ou des formes inhabituelles de magnétisme. Si nous réussissons à comprendre et à reproduire ces comportements étranges dans des conditions moins extrêmes, il pourrait s’en suivre des technologies beaucoup plus avancées que celles qui existent aujourd’hui.

Program at a Glance

Fondé

1987

Membres

67

Dates de renouvellement

1992, 1997, 2002, 2007, 2012

Les Partenaires

Gordon and Betty Moore Foundation

Disciplines

Chimie, Physique de la matière condensée (théorique et expérimentale), Synthèse de la matière

Détails du programme

La création du programme Matériaux quantiques du CIFAR remonte à 1987, la même année où le prix Nobel de physique a été décerné pour la découverte des premiers supraconducteurs à température élevée. En associant la fabrication de matériaux, l’expérimentation et la théorie, le programme crée un cycle synergique qui fait avancer le domaine comme il aurait été impossible de faire autrement. Des membres spécialistes de la fabrication créent des échantillons ultra-purs de matériaux exotiques qui contiennent des combinaisons novatrices d’éléments chimiques. Des expérimentateurs mesurent les propriétés de ces matériaux et cernent les causes de leur comportement étrange. Des théoriciens formulent de nouveaux modèles pour expliquer les observations expérimentales. Ces théories, en retour, donnent souvent lieu à de nouvelles expériences et techniques de fabrication à mettre à l’essai.
 

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Le Boursier principal Andrea Damascelli utilise des techniques de spectroscopie et de diffusion des rayons X pour étudier la structure énergétique de basse énergie de matériaux quantiques.

La supraconductivité joue déjà un rôle essentiel en technologie. Par exemple, les appareils d’imagerie par résonance magnétique (IRM) utilisent des supraconducteurs – refroidis à l’hélium liquide – pour créer de puissants champs magnétiques et nous permettre de voir à l’intérieur du corps. Cette technologie élimine les complications souvent associées à la chirurgie ou aux rayons X. Au Japon, les trains à lévitation magnétique (maglev) utilisent des supraconducteurs pour atteindre des vitesses supérieures à 500 kilomètres à l’heure. On utilise aussi des supraconducteurs dans le Grand collisionneur de hadrons et dans d’autres détecteurs conçus pour repérer des particules exotiques qui nous aident à comprendre l’Univers.

Certains scientifiques ont aussi proposé d’utiliser les supraconducteurs pour créer des appareils qui pourraient entreposer l’énergie quand c’est moins coûteux – par exemple, la nuit – et la libérer quand nous en avons besoin. Toutefois, toutes les utilisations actuelles et futures des supraconducteurs présentent le même inconvénient : le coût élevé et la demande énergétique du refroidissement. De meilleurs supraconducteurs qui fonctionnent à des températures plus élevées pourraient considérablement diminuer le coût des technologies les plus avancées aujourd’hui et en annoncer de nouvelles, comme des réseaux électriques dont le taux d’efficacité est de 100 pour cent, et éventuellement révolutionner les plateformes technologiques sur lesquelles repose la société.

 

Crystal-Revised-Shot
Photo : Des cristaux comme ceux-ci fabriqués dans le laboratoire de croissance cristalline de Bruce Gaulin (Université McMaster), Boursier principal, sont utilisés pour étudier des phénomènes, comme la supraconductivité à température élevée. Photo : Thomas Van Ryzewk

En plus de continuer à mettre l’accent sur la réalisation de percées de pointe en supraconductivité, le programme se penche aussi maintenant sur des recherches dans un vaste éventail de phénomènes, y compris de nouveaux états de la matière et des formes inhabituelles de magnétisme.

Supraconductivité

Les membres du programme Matériaux quantiques ont fait des progrès importants dans le domaine, particulièrement pour expliquer pourquoi la supraconductivité est confinée à de basses températures. Un morceau important du casse-tête a été découvert en 2007 quand une équipe soutenue par le CIFAR a finalement cartographié la surface de d’un supraconducteur à base de cuivre bien connu et a observé qu’il se composait de petites poches. La découverte inattendue a entraîné un changement de paradigme dans la façon dont les scientifiques voyaient la nature du comportement des électrons dans ces matériaux. Ce résultat a immédiatement mené à la reconnaissance du rôle essentiel joué par les ondes de densité de charge – un type d’instabilité électrique, aussi appelée ordonnancement de la charge – dans la suppression de la supraconductivité.

Les percées réalisées dans le domaine illustrent très bien le modèle du CIFAR à l’œuvre. Les Boursiers principaux Doug Bonn, Walter N. Hardy et Ruixing Liang sont parmi les meilleurs au monde dans la fabrication de cristaux de supraconducteurs à température élevée à base d’oxyde. Des chercheurs comme le directeur du programme et Boursier principal Louis Taillefer, le Boursier principal Andrea Damascelli, le Boursier associé Cyril Proust et bien d’autres utilisent leurs échantillons. Des théoriciens comme le Boursier principal Hae-Young Kee et les Boursiers associés Subir Sachdev et Andrew Millis mettent au point des modèles pour expliquer ces observations et suggérer de nouvelles expériences.

Atomes froids

Des atomes refroidis à de très basses températures peuvent se retrouver en corrélation forte les uns avec les autres. Ces systèmes, où les effets quantiques ont un grand impact, présentent des similarités avec la façon dont les électrons se déplacent dans un supraconducteur. Par exemple, le Boursier Joseph Thywissen a récemment utilisé un tel système pour examiner la démagnétisation d’un gaz ultrafroid. La mesure de la dynamique quantique des gaz ultrafroids à corrélation forte peut rehausser notre compréhension de la supraconductivité et aussi d’états exotiques de la matière dans les étoiles à neutrons et autres lieux inaccessibles.

Conception de nouveaux matériaux

De nombreux membres du programme Matériaux quantiques mettent l’accent sur la conception et la fabrication de nouveaux matériaux qui manifestent des propriétés quantiques inhabituelles. À l’aide de techniques qui déposent des molécules individuelles sur des surfaces, les chercheurs peuvent créer des matériaux composés de couches différentes qui font aussi peu qu’un atome d’épaisseur.

En 2004, le Boursier associé Harold Hwang et son équipe ont découvert à leur grand étonnement que l’interface entre deux oxydes non conducteurs se comportait comme un métal conducteur. Cette découverte a mené à une myriade de nouvelles recherches, y compris certaines qui ont démontré que de telles surfaces pouvaient se comporter comme des supraconducteurs. Il s’agit d’un domaine de recherche encore très actif aujourd’hui.

Transitions de phase quantique

Quand l’eau gèle ou que la glace fond, on dit que le matériau subit une transition de phase physique. De même, les matériaux peuvent passer d’un état quantique à un autre quand on les soumet à des champs magnétiques d’intensité croissante. Les fluctuations quantiques qui existent même au zéro absolu constituent le facteur déterminant de ces transitions de phase. Une collaboration tripartite récente à le CIFAR entre le Boursier Takashi Imai, le Boursier associé Subir Sachdev et le Boursier Graeme Luke a démontré que ces fluctuations quantiques persistent même à des températures qui vont jusqu’à quelques douzaines de degrés au-dessus du zéro absolu. Une meilleure compréhension des transitions de phase quantique pourrait contribuer à la formulation de nouvelles théories pour expliquer le fonctionnement des supraconducteurs à température élevée.

ARTICLES NOTABLES

Ohtomo, A., et H.Y. Hwang, H.Y. « A high-mobility electron gas at the LaAlO3/SrTiO3 heterointerface », Nature 427 (2004) : 423-426. résumé

Doiron-Leyraud, N. et coll. « Quantum oscillations and the Fermi surface in an underdoped high-Tc superconductor », Nature 447 (200&) : 565-568. résumé

Dalidovich, D. et coll. « Spin structure factor of the frustrated quantum magnet Cs2CuCl4 », Physical Review B 73, 18 (2006). résumé

LeBoeuf, D. et coll. « Electron pockets in the Fermi surface of hole-doped high-Tc superconductors », Nature 450 (2007). résumé

Daou, R. et coll. « Broken rotational symmetry in the pseudogap phase of a high-Tc superconductor », Nature 463 (2010) : 519-522. résumé

Comin, R. et coll. « Charge Order Driven by Fermi-Arc Instability in Bi2Sr2−xLaxCuO6+δ », Science 343, 6169 (2014): 390-392. RÉSUMÉ

Les boursiers et les conseillers du programme

Directeur de programme

Louis Taillefer
Directeur de programme

Louis Taillefer, spécialiste de la physique de la matière condensée, étudie pourquoi certains matériaux présentent des propriétés électroniques remarquables, comme le magnétisme et la supraconductivité.

Boursiers

Alexandre Blais

  • Boursier
  • Matériaux quantiques
  • Université de Sherbrooke
  • Canada

Andrea Damascelli

  • Boursier principal
  • Matériaux quantiques
  • Université de la Colombie-Britannique
  • Canada

André-Marie Tremblay

  • Boursier principal
  • Matériaux quantiques
  • Université de Sherbrooke
  • Canada

Andrew Millis

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université Columbia
  • États Unis

Arun Paramekanti

  • Boursier
  • Matériaux quantiques
  • Université de Toronto
  • Canada

Bernhard Keimer

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Institut Max-Planck de recherche sur l’état solide
  • Allemagne

Bruce D. Gaulin

  • Boursier principal
  • Matériaux quantiques
  • Université McMaster
  • Canada

Catherine Kallin

  • Boursière principale
  • Matériaux quantiques
  • Université McMaster
  • Canada

Cedomir Petrovic

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Brookhaven National Laboratory
  • États Unis

Christopher Wiebe

  • Boursier
  • Matériaux quantiques
  • Université de Winnipeg
  • Canada

Collin Broholm

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université Johns Hopkins
  • États Unis

Cyril Proust

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Laboratoire national des champs magnétiques intenses
  • France

David Broun

  • Boursier
  • Matériaux quantiques
  • Université Simon Fraser
  • Canada

David G. Hawthorn

  • Boursier
  • Matériaux quantiques
  • Université de Waterloo
  • Canada

Doug Bonn

  • Boursier principal
  • Matériaux quantiques
  • Université de la Colombie-Britannique
  • Canada

Douglas Scalapino

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université de la Californie à Santa Barbara
  • États Unis

Eugene A. Demler

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université Harvard
  • États Unis

Fei Zhou

  • Boursier
  • Matériaux quantiques
  • Université de la Colombie-Britannique
  • Canada

Gabriel Kotliar

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université Rutgers
  • États Unis

George A. Sawatzky

  • Boursier principal
  • Matériaux quantiques
  • Université de la Colombie-Britannique
  • Canada

Gilbert Lonzarich

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université de Cambridge
  • Royaume-Uni

Graeme Luke

  • Boursier principal
  • Matériaux quantiques
  • Université McMaster
  • Canada

Guillaume Gervais

  • Boursier
  • Matériaux quantiques
  • Université McGill
  • Canada

Hae-Young Kee

  • Boursière principale
  • Matériaux quantiques
  • Université de Toronto
  • Canada

Hai-Hu Wen

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Académie des sciences de la Chine
  • Chine

Harold Y. Hwang

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université Stanford
  • États Unis

Ian Affleck

  • Boursier principal
  • Matériaux quantiques
  • Université de la Colombie-Britannique
  • Canada

Ian Fisher

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université Stanford
  • États Unis

Immanuel F. Bloch

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Institut Max-Planck d’optique quantique
  • Université Ludwig-Maximilians
  • Allemagne

Jeff E. Sonier

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université Simon Fraser
  • Canada

Jennifer Hoffman

  • Boursière associée
  • Matériaux quantiques
  • Université Harvard
  • États Unis

John Y. T. Wei

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université de Toronto
  • Canada

Johnpierre Paglione

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université du Maryland
  • États Unis

Joseph H. Thywissen

  • Boursier
  • Matériaux quantiques
  • Université de Toronto
  • Canada

Joseph Maciejko

  • Boursier
  • Matériaux quantiques
  • Université de l'Alberta
  • Canada

Joshua Folk

  • Boursier
  • Matériaux quantiques
  • Université de la Colombie-Britannique
  • Canada

Jules P. Carbotte

  • Boursier principal
  • Matériaux quantiques
  • Université McMaster
  • Canada

Karyn Le Hur

  • Boursière associée
  • Matériaux quantiques
  • École polytechnique and CNRS
  • France

Kathryn A. Moler

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université Stanford
  • États Unis

Leon Balents

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université de la Californie à Santa Barbara
  • États Unis

Lindsay J. LeBlanc

  • Boursière
  • Matériaux quantiques
  • Université de l'Alberta
  • Canada

Marcel Franz

  • Boursier principal
  • Matériaux quantiques
  • Université de la Colombie-Britannique
  • Canada

Michel J. P. Gingras

  • Boursier principal
  • Matériaux quantiques
  • Université de Waterloo
  • Canada

Patrick Fournier

  • Boursier
  • Matériaux quantiques
  • Université de Sherbrooke
  • Canada

Randall G. Hulet

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université Rice
  • États Unis

Robert Cava

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université de Princeton
  • États Unis

Ruixing Liang

  • Boursier principal
  • Matériaux quantiques
  • Université de la Colombie-Britannique
  • Canada

Senthil Todadri

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Massachusetts Institute of Technology
  • États Unis

Stephen R. Julian

  • Boursier principal
  • Matériaux quantiques
  • Université de Toronto
  • Canada

Steve Dodge

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université Simon Fraser
  • Canada

Steven Kivelson

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université Stanford
  • États Unis

Subir Sachdev

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université Harvard
  • États Unis

Takashi Imai

  • Boursier principal
  • Matériaux quantiques
  • Université McMaster
  • Canada

Thomas Timusk

  • Boursier principal
  • Matériaux quantiques
  • Université McMaster
  • Canada

Walter N. Hardy

  • Boursier principal
  • Matériaux quantiques
  • Université de la Colombie-Britannique
  • Canada

Yoichi Ando

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université de Cologne
  • Allemagne

Yong Baek Kim

  • Boursier principal
  • Matériaux quantiques
  • Université de Toronto
  • Canada

Yoshiteru Maeno

  • Boursier associé
  • Matériaux quantiques
  • Université de Kyoto
  • Japon

Conseillers

Andrew Peter Mackenzie

  • Conseiller
  • Matériaux quantiques
  • Institut Max-Planck de physique chimique des solides
  • Allemagne

Antoine Georges

  • Conseiller
  • Matériaux quantiques
  • L’École polytechnique
  • France

Hidenori Takagi

  • Conseiller
  • Matériaux quantiques
  • Institut Max-Planck de recherche sur l’état solide
  • Allemagne

Jochen Mannhart

  • Conseiller
  • Matériaux quantiques
  • Institut Max-Planck de recherche sur l’état solide
  • Allemagne

Richard L. Greene

  • Conseiller
  • Matériaux quantiques
  • Université du Maryland
  • États Unis

Chercheurs mondiaux CIFAR-Azrieli

Judy Cha

  • Chercheuse mondiale CIFAR-Azrieli
  • Matériaux quantiques

Kate A. Ross

  • Chercheuse mondiale CIFAR-Azrieli
  • Matériaux quantiques
  • Université de l'état du Colorado
  • États Unis

Luyi Yang

  • Chercheuse mondiale CIFAR-Azrieli
  • Matériaux quantiques
  • Université de Toronto
  • Canada