L'avenir de l'informatique quantique et la découverte de matériaux

Vous savez quoi ? Je suis d'accord. Pas parce que l'informatique quantique est une menace imminente pour la sécurité nationale. Mais parce que c'est l'avenir, et le pays qui prendra la tête dans les systèmes d'information quantique aura des avantages technologiques et économiques sur le reste du monde pour le prochain demi-siècle. J'ai déjà partagé mes préoccupations concernant le fait que les États-Unis sont à la traîne dans cette course. L'histoire humaine a évolué conjointement avec l'innovation matérielle : la production d'acier à partir du chauffage du fer avec du carbone a déclenché le passage de l'âge du bronze à l'âge du fer, et la croissance des lingots de cristal de Si de haute pureté a conduit à l'essor de l'âge de l'ordinateur. De nos jours, des matériaux multicomposants synthétiques sont constamment développés pour répondre aux exigences des diverses applications. La base de données Crystal Structure Database (ICSD) comprend environ 200 000 matériaux enregistrés à ce jour, et l'entrée de données augmente régulièrement d'environ 5 000 chaque année. La taille et l'expansion active de la base de données reflètent le fait que les nouveaux matériaux continuent de stimuler les progrès scientifiques et techniques dans des domaines tels que l'électronique, la collecte et le stockage de l'énergie, et les supraconducteurs à haute température. Malgré la vaste bibliothèque de matériaux disponibles aujourd'hui, elle est loin d'être complète dans les phases ternaires ou supérieures (simplement multicomposées par la suite). Sur la base d'une estimation approximative, seulement environ 16 et 1% des composés ternaires et quaternaires, respectivement, sont au moins partiellement révélés. Cela inspire un espoir raisonnable que des matériaux précieux puissent être découverts dans le domaine multicomposé largement inexploré. De plus, les répertoires actuels de matériaux sont chimiquement et synthétiquement biaisés. Par exemple, les occurrences d'éléments dans les composés ternaires culminent à l'oxygène avec 22 476 décomptes dans l'ICSD, soit plus de trois fois celui des éléments les plus fréquents suivants (Fe, Si et S). Cela est principalement dû au fait que l'oxygène est l'élément le plus abondant sur Terre et forme des composés stables avec la plupart des métaux. De plus, les oxydes sont plus faciles à synthétiser que d'autres composés et bénéficient de recettes de synthèse établies tout au long de l'histoire. Cela indique que la base de données matérielles actuelle est biaisée en faveur de celles dont la synthèse est facile, ce qui pourrait manquer de composés prometteurs qui sont inconnus aujourd'hui. Compte tenu du très grand écart entre le débit expérimental actuel et le nombre de matériaux inconnus, ainsi que des obstacles croissants à la synthèse, explorer l'espace chimique inconnu uniquement par l'expérimentation serait inefficace. En revanche, les efforts expérimentaux peuvent tirer parti d'un présélectionnement informatique basé sur les calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Ceci a été démontré par une multitude de publications récentes dans lesquelles la découverte de nouveaux matériaux a été accélérée par les calculs DFT : cathodes pour batteries Li-ion, semi-conducteurs à base de nitrure, nitrures métalliques, composés à 18 électrons, phases MAX à base de bore et supraconducteurs à haute température. Dans ces travaux, les résultats du DFT ont pu suggérer des compositions qui sont probablement stables dans des conditions ambiantes et ont donc une forte synthétisabilité. De plus, les prédictions du DFT concernant les propriétés de base pourraient orienter les ressources expérimentales vers des matériaux appropriés pour des applications spécifiques.