Comment des aimants à changement de forme pourraient aider à construire un ordinateur à faibles émissions

Au cours des prochaines décennies, certains des ordinateurs les plus puissants de la planète pourraient stocker leurs zéros et leurs uns non pas sous forme d’électrons dans du silicium, mais sous forme de minuscules champs magnétiques.

L’appareil que vous utilisez pour lire cet article fonctionne presque certainement en plaçant ses zéros et ses uns dans des morceaux de semi-conducteur, à savoir le silicium, qui a constamment besoin d’électricité pour fonctionner.

Dans un monde qui pousse à zéro émission nette de carbone, ce genre d’utilisation de l’énergie ne fera pas l’affaire. Heureusement, les chercheurs travaillent à changer fondamentalement le fonctionnement des ordinateurs, ce qui pourrait conduire à des appareils puissants et à faible consommation d’énergie. Une façon de le faire est de construire un ordinateur avec des aimants.

Des chercheurs de l’Université du Michigan, en collaboration avec le fabricant de puces Intel, ont créé un nouvel alliage de fer qui pourrait être une caractéristique majeure des ordinateurs à aimants de demain. Leurs travaux ont été publiés récemment .

Leur alliage agit comme un magnétostricteur. Cela signifie que cela repose sur le fait que lorsque vous plongez un matériau magnétique, tel que le fer, dans un champ magnétique, ce matériau se déforme subtilement. En ajoutant d’autres métaux (un alliage est un mélange d’éléments métalliques) et en ajustant leurs proportions, vous pouvez créer des alliages plus magnétostrictifs ou plus flexibles lorsque leurs champs magnétiques changent.

Aujourd’hui, les magnétostricteurs nous aident à construire des capteurs de haute qualité, car nous pouvons détecter les changements de forme d’un bon magnétostricteur en présence de champs magnétiques, même assez faibles. En utilisant un courant électrique pour créer des champs magnétiques, vous pouvez forcer un magnétostricteur à changer de forme. De cette façon, vous pouvez convertir l’énergie électrique du courant, relativement facilement, en énergie mécanique du magnétostricteur changeant de forme.

C’est une capacité puissante. À l’avenir, les magnétostricteurs pourraient nous permettre d’utiliser de minuscules champs magnétiques variables pour former les zéros et les uns qui constituent le fondement invisible de tous nos appareils informatiques.

Ces dernières années, cependant, les magnétostricteurs sont tombés au bord du chemin de la science des matériaux. “Les gens ont en quelque sorte poussé le magnétostricteur sous le tapis”, explique John Heron , un scientifique des matériaux à l’Université du Michigan et l’un des auteurs de l’article.

Mais il y a lieu de leur prêter attention. Les meilleurs magnétostricteurs d’aujourd’hui reposent sur des métaux des terres rares tels que le terbium et le dysprosium. Les terres rares ont tendance à être (prévisiblement) rares et chères. Les extraire et les extraire est un processus difficile qui génère souvent des déchets toxiques. Et, avec la majeure partie de la production contrôlée par la Chine , le commerce mondial des terres rares est vulnérable à la géopolitique inconstante et aux querelles commerciales entre les États-Unis et la Chine.

C’est en partie pourquoi Heron et ses collègues ont cherché à fabriquer un meilleur magnétostricteur en mélangeant du fer avec un élément beaucoup moins cher et plus accessible : le gallium, un métal doux et argenté qui n’existe dans la nature que sous forme d’oligo-éléments dans les minerais d’aluminium et de zinc. Le gallium pur a un point de fusion si bas qu’il deviendrait liquide dans vos mains.

Les chercheurs de l’Université du Michigan ne sont guère les premiers à utiliser le gallium pour fabriquer des matériaux magnétostrictifs, mais leurs prédécesseurs se sont heurtés à une limite embêtante.

« Quand vous dépassez 20 % de gallium, le matériau n’est plus stable », explique Heron. « Le matériau change de symétrie, il change de structure cristalline et ses propriétés changent radicalement. » D’une part, le matériau devient beaucoup moins magnétostrictif à changement de forme.

Pour contourner cette limite, Heron et ses collègues ont dû empêcher les atomes de modifier leur structure. Ils ont donc fabriqué leur alliage à une température relativement froide de 320 degrés Farenheit (160 degrés Celsius), limitant ainsi l’énergie de ses atomes. Cela a verrouillé les atomes en place et les a empêchés de se déplacer, alors même que les chercheurs infusaient plus de gallium dans l’alliage.

Grâce à cette méthode, les chercheurs ont pu fabriquer un alliage de fer contenant jusqu’à 30 % de gallium, créant un nouveau matériau deux fois plus magnétostrictif que ses homologues des terres rares.

Ce nouveau magnétostricteur plus efficace pourrait aider les scientifiques à construire non seulement un ordinateur moins cher, mais aussi un ordinateur qui ne repose pas sur des minéraux de terres rares dont l’extraction génère un excès de carbone.

Dans le grand schéma des choses, votre ordinateur domestique traditionnel n’utilise pas une quantité excessive d’énergie. Les mégacentres de données informatiques qui alimentent Internet, cependant, sont une autre histoire. Bien que le montant exact de leur consommation d’électricité et de leurs émissions de carbone soit controversé , il est indéniable que les centres consomment beaucoup d’énergie.

Pour réduire ces demandes d’énergie, des chercheurs comme Heron veulent construire des appareils qui changent totalement le fonctionnement des ordinateurs. Les magnétostricteurs pourraient être un moyen de le faire. Au lieu d’utiliser des semi-conducteurs qui nécessitent une électricité constante, les ordinateurs de demain pourraient utiliser des magnétostricteurs pour fonctionner dans des bits de champ magnétique. Pour les opérations de base, de tels appareils n’auraient besoin que d’électricité pour changer un zéro en un, ou vice versa, au lieu d’avoir besoin d’énergie en continu.

En plus d’économiser de l’énergie, un tel ordinateur aurait plusieurs avantages par rapport à ses homologues existants. S’il s’éteint de manière inattendue, vous ne perdriez pas ce que vous étiez en train de faire, car les morceaux de champ magnétique resteraient en place. Les ingénieurs pensent également qu’il est plus facile d’augmenter les spécifications de ces ordinateurs hypothétiques, permettant des niveaux de performances que les semi-conducteurs d’aujourd’hui ne peuvent probablement pas gérer.

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