PHÉNOMÈNES QUANTIQUES ÉMERGENTS

RESPONSABLES DE L’AXE :
Louis Taillefer et Tami Pereg-Barnea

Les 27 membres qui font partie de cet axe collaborent afin de comprendre et exploiter certains phénomènes quantiques émergents, en particulier :

i) les supraconducteurs et les systèmes à électrons corrélés ;
ii) les systèmes de spins quantiques ;
iii) les matériaux topologiques.

Nos expert(e)s appliquent des techniques de pointe pour synthétiser, sonder et modéliser ces matériaux aux propriétés fascinantes.
Les systèmes à électrons corrélés et les supraconducteurs possèdent un énorme potentiel technologique. Par exemple, la découverte de supraconducteurs qui fonctionnent à température ambiante déclencherait une révolution technologique.

Les membres du RQMP étudient les supraconducteurs, dont les oxydes de cuivre (qui détiennent le record de la température critique la plus élevée à pression ambiante), pour identifier les mécanismes fondamentaux qui favorisent la supraconductivité.

Ils tentent également d’élucider la nature du pseudogap dans les oxydes de cuivre, la phase la plus mystérieuse de la matière quantique, en cherchant de nouvelles signatures de cette phase, telles que les phonons chiraux et la transformation de la surface de Fermi. Un autre thème est la dissipation planckienne, un phénomène fascinant par lequel les électrons semblent obéir à une nouvelle limite quantique sur leur temps de collision, similaire au temps planckien qui régit la relaxation des trous noirs.

Les systèmes de spins quantiques représentent deux avenues de recherche :

i) les systèmes à un ou quelques spins pour l’information quantique et la métrologie ;
ii) les systèmes de spins à grande échelle.

Les systèmes à un ou quelques spins contenus dans des points quantiques ou liés à des défauts localisés offrent des bits quantiques compacts et hautement cohérents.

Les chercheur(e)s du RQMP explorent de nouveaux mécanismes et architectures pour contrôler, coupler et détecter des qubits de spin, et exploiter leur cohérence pour développer par exemple des magnétomètres sensibles. Les systèmes de spin quantique à grande échelle peuvent présenter un comportement émergent incroyablement riche.

La combinaison de fortes fluctuations quantiques et de frustration magnétique peut conduire à un liquide de spin quantique – un état de la matière hautement intriqué qui présente des excitations fractionnaires.

Dans certains cas, ces excitations pourraient fournir une plate-forme pour le codage robuste de l’information quantique. Plusieurs matériaux candidats sont maintenant disponibles ; au sein du RQMP les théoricien(ne)s, les expérimentateur(trice)s et les expert(e)s en synthèse collaboreront pour les explorer et les comprendre.

Les matériaux topologiques sont un domaine en pleine croissance. Ils comprennent les isolants, les semi-métaux, les supraconducteurs et les systèmes magnétiques.

Les états de surface insensibles au désordre constituent le porte-étendard de la topologie, et ils sont très prometteurs pour les dispositifs quantiques tolérants aux défauts. Ils constituent un tremplin vers des qubits tolérants aux fautes pour l’informatique quantique et les dispositifs spintroniques à faible dissipation.

Dans d’autres cas, la topologie est une propriété d’un état quantique particulier, comme avec la supraconductivité topologique, pour laquelle une nouvelle plate-forme a récemment été proposée, basée sur deux monocouches d’un supraconducteur d’oxyde de cuivre positionnées à un angle l’une par rapport à l’autre.

Les membres du RQMP étudient les matériaux topologiques de leurs aspects fondamentaux jusqu’à l’utilisation de leur plein potentiel.

PHÉNOMÈNES QUANTIQUES ÉMERGENTS

RESPONSABLES DE L’AXE :
Louis Taillefer et Tami Pereg-Barnea

Les 27 membres qui font partie de cet axe collaborent afin de comprendre et exploiter certains phénomènes quantiques émergents, en particulier :

i) les supraconducteurs et les systèmes à électrons corrélés ;
ii) les systèmes de spins quantiques ;
iii) les matériaux topologiques.

Nos expert(e)s appliquent des techniques de pointe pour synthétiser, sonder et modéliser ces matériaux aux propriétés fascinantes.
Les systèmes à électrons corrélés et les supraconducteurs possèdent un énorme potentiel technologique. Par exemple, la découverte de supraconducteurs qui fonctionnent à température ambiante déclencherait une révolution technologique.

Les membres du RQMP étudient les supraconducteurs, dont les oxydes de cuivre (qui détiennent le record de la température critique la plus élevée à pression ambiante), pour identifier les mécanismes fondamentaux qui favorisent la supraconductivité.

Ils tentent également d’élucider la nature du pseudogap dans les oxydes de cuivre, la phase la plus mystérieuse de la matière quantique, en cherchant de nouvelles signatures de cette phase, telles que les phonons chiraux et la transformation de la surface de Fermi. Un autre thème est la dissipation planckienne, un phénomène fascinant par lequel les électrons semblent obéir à une nouvelle limite quantique sur leur temps de collision, similaire au temps planckien qui régit la relaxation des trous noirs.

Les systèmes de spins quantiques représentent deux avenues de recherche :

i) les systèmes à un ou quelques spins pour l’information quantique et la métrologie ;
ii) les systèmes de spins à grande échelle.

Les systèmes à un ou quelques spins contenus dans des points quantiques ou liés à des défauts localisés offrent des bits quantiques compacts et hautement cohérents.

Les chercheur(e)s du RQMP explorent de nouveaux mécanismes et architectures pour contrôler, coupler et détecter des qubits de spin, et exploiter leur cohérence pour développer par exemple des magnétomètres sensibles. Les systèmes de spin quantique à grande échelle peuvent présenter un comportement émergent incroyablement riche.

La combinaison de fortes fluctuations quantiques et de frustration magnétique peut conduire à un liquide de spin quantique – un état de la matière hautement intriqué qui présente des excitations fractionnaires.

Dans certains cas, ces excitations pourraient fournir une plate-forme pour le codage robuste de l’information quantique. Plusieurs matériaux candidats sont maintenant disponibles ; au sein du RQMP les théoricien(ne)s, les expérimentateur(trice)s et les expert(e)s en synthèse collaboreront pour les explorer et les comprendre.

Les matériaux topologiques sont un domaine en pleine croissance. Ils comprennent les isolants, les semi-métaux, les supraconducteurs et les systèmes magnétiques.

Les états de surface insensibles au désordre constituent le porte-étendard de la topologie, et ils sont très prometteurs pour les dispositifs quantiques tolérants aux défauts. Ils constituent un tremplin vers des qubits tolérants aux fautes pour l’informatique quantique et les dispositifs spintroniques à faible dissipation.

Dans d’autres cas, la topologie est une propriété d’un état quantique particulier, comme avec la supraconductivité topologique, pour laquelle une nouvelle plate-forme a récemment été proposée, basée sur deux monocouches d’un supraconducteur d’oxyde de cuivre positionnées à un angle l’une par rapport à l’autre.

Les membres du RQMP étudient les matériaux topologiques de leurs aspects fondamentaux jusqu’à l’utilisation de leur plein potentiel.

CONCEPTION CIBLÉE DE NOUVEAUX MATÉRIAUX

RESPONSABLES DE L’AXE :
Hong Guo et Stefanos Kourtis

La conception de matériaux ayant des propriétés physiques toujours plus précises et contrôlables, qu’elles soient mécaniques, optiques, diélectriques, magnétiques ou une combinaison de celles-ci, est une pierre angulaire du progrès technologique.

Aujourd’hui plus que jamais, répondre aux exigences de l’industrie en matière d’innovation passe par la maîtrise des processus de synthèse des matériaux aux échelles micro et nano, et, de plus en plus, au niveau quantique.

La fabrication de nouveaux matériaux est guidée par des méthodes de caractérisation et de la modélisation numérique de haute précision. Il s’agit d’un domaine en constante évolution où l’intégration étroite entre expertises de plusieurs disciplines est une condition essentielle pour accomplir des progrès rapides.C’est exactement cette intégration que propose le RQMP.

Les théoricien(ne)s du RQMP ont une longue et remarquable histoire d’innovation en matière de méthodes et d’outils de modélisation et de simulation de pointe qui exploitent l’infrastructure canadienne de supercalculateurs à ses limites.

Nombre d’outils ont été commercialisés ou sont en libres accès et sont utilisés par des chercheur(e)s et ingénieur(e)s dans le monde entier. Les membres du RQMP développent des théories sur les matériaux multi-échelles ainsi que de puissants outils de simulation, allant de la modélisation atomistique basée sur la théorie de la fonctionnelle de densité à la modélisation du continuum ; comme :

  • les méthodes de champ de phase ;
  • la dynamique moléculaire à grande échelle jusqu’à ab initio, en passant par le Monte Carlo ;
  • celles à l’équilibre et hors-équilibre ;
  • celles prédisant les propriétés fonctionnelles et structurelles des matériaux ;
  • la modélisation de systèmes électroniques, topologiques, de transport, mécaniques, photoniques, magnétiques et biologiques ;
  • ou les outils de simulation de techniques expérimentales avancées comme la microscopie par sonde à balayage.

De grands efforts seront consacrés à l’intégration de nos méthodes et outils théoriques dans des plateformes de calcul puissantes et uniques afin que nos collègues expérimentateur(trice)s puissent facilement y accéder pour des applications spécifiques.

En effet, l’étroite collaboration des chercheur(e)s de cet axe avec les expérimentateur(trices)s du RQMP ; qui sont à l’avant-scène d’un large éventail de méthodes de synthèse de matériaux liés aux technologies de l’énergie, de l’information et de la détection, permettra de valider les modèles développés.

De plus, elle va stimuler des collaborations avec des partenaires de l’industrie afin de répondre à des besoins spécifiques.

En plus de la théorie et de la modélisation plus traditionnelles des matériaux, les chercheurs du RQMP sont très actifs dans le développement de méthodes d’apprentissage automatique pour la recherche sur les matériaux.

L’humanité a déjà découvert dans la nature ou en les synthétisant environ 400 000 matériaux différents. En ajoutant les molécules, le nombre dépasse les 140 millions.
Cependant, et étonnamment, on en sait très peu sur les propriétés physiques de plusieurs d’entre eux. De toute évidence, les matériaux existants présentent une énorme opportunité d’applications si leurs propriétés peuvent être rapidement identifiées.

À cet égard, les chercheur(e)s du RQMP ont développé plusieurs outils pour l’informatique des matériaux, assistés par l’apprentissage automatique, pour cibler très efficacement les matériaux candidats ayant une propriété physique particulière, à partir des énormes bases de données de matériaux.

Des méthodes d’apprentissage automatique ont également été développées par les chercheur(e)s du RQMP pour accélérer d’autres outils de simulation, pour construire de meilleurs potentiels pour les simulations, pour accélérer la dynamique moléculaire ab initio, pour déterminer les propriétés structurelles des systèmes désordonnés.

Encore une fois, grâce à la collaboration, RQMP sera en mesure de développer les outils les plus puissants basés sur l’apprentissage automatique, avec une validation expérimentale directe dans nos laboratoires et une validation théorique de nos méthodes de simulation.

CONCEPTION CIBLÉE DE NOUVEAUX MATÉRIAUX

RESPONSABLES DE L’AXE :
Hong Guo et Stefanos Kourtis

La conception de matériaux ayant des propriétés physiques toujours plus précises et contrôlables, qu’elles soient mécaniques, optiques, diélectriques, magnétiques ou une combinaison de celles-ci, est une pierre angulaire du progrès technologique.

Aujourd’hui plus que jamais, répondre aux exigences de l’industrie en matière d’innovation passe par la maîtrise des processus de synthèse des matériaux aux échelles micro et nano, et, de plus en plus, au niveau quantique.

La fabrication de nouveaux matériaux est guidée par des méthodes de caractérisation et de la modélisation numérique de haute précision. Il s’agit d’un domaine en constante évolution où l’intégration étroite entre expertises de plusieurs disciplines est une condition essentielle pour accomplir des progrès rapides.C’est exactement cette intégration que propose le RQMP.

Les théoricien(ne)s du RQMP ont une longue et remarquable histoire d’innovation en matière de méthodes et d’outils de modélisation et de simulation de pointe qui exploitent l’infrastructure canadienne de supercalculateurs à ses limites.

Nombre d’outils ont été commercialisés ou sont en libres accès et sont utilisés par des chercheur(e)s et ingénieur(e)s dans le monde entier. Les membres du RQMP développent des théories sur les matériaux multi-échelles ainsi que de puissants outils de simulation, allant de la modélisation atomistique basée sur la théorie de la fonctionnelle de densité à la modélisation du continuum ; comme :

  • les méthodes de champ de phase ;
  • la dynamique moléculaire à grande échelle jusqu’à ab initio, en passant par le Monte Carlo ;
  • celles à l’équilibre et hors-équilibre ;
  • celles prédisant les propriétés fonctionnelles et structurelles des matériaux ;
  • la modélisation de systèmes électroniques, topologiques, de transport, mécaniques, photoniques, magnétiques et biologiques ;
  • ou les outils de simulation de techniques expérimentales avancées comme la microscopie par sonde à balayage.

De grands efforts seront consacrés à l’intégration de nos méthodes et outils théoriques dans des plateformes de calcul puissantes et uniques afin que nos collègues expérimentateur(trice)s puissent facilement y accéder pour des applications spécifiques.

En effet, l’étroite collaboration des chercheur(e)s de cet axe avec les expérimentateur(trices)s du RQMP ; qui sont à l’avant-scène d’un large éventail de méthodes de synthèse de matériaux liés aux technologies de l’énergie, de l’information et de la détection, permettra de valider les modèles développés.

De plus, elle va stimuler des collaborations avec des partenaires de l’industrie afin de répondre à des besoins spécifiques.

En plus de la théorie et de la modélisation plus traditionnelles des matériaux, les chercheurs du RQMP sont très actifs dans le développement de méthodes d’apprentissage automatique pour la recherche sur les matériaux.

L’humanité a déjà découvert dans la nature ou en les synthétisant environ 400 000 matériaux différents. En ajoutant les molécules, le nombre dépasse les 140 millions.
Cependant, et étonnamment, on en sait très peu sur les propriétés physiques de plusieurs d’entre eux. De toute évidence, les matériaux existants présentent une énorme opportunité d’applications si leurs propriétés peuvent être rapidement identifiées.

À cet égard, les chercheur(e)s du RQMP ont développé plusieurs outils pour l’informatique des matériaux, assistés par l’apprentissage automatique, pour cibler très efficacement les matériaux candidats ayant une propriété physique particulière, à partir des énormes bases de données de matériaux.

Des méthodes d’apprentissage automatique ont également été développées par les chercheur(e)s du RQMP pour accélérer d’autres outils de simulation, pour construire de meilleurs potentiels pour les simulations, pour accélérer la dynamique moléculaire ab initio, pour déterminer les propriétés structurelles des systèmes désordonnés.

Encore une fois, grâce à la collaboration, RQMP sera en mesure de développer les outils les plus puissants basés sur l’apprentissage automatique, avec une validation expérimentale directe dans nos laboratoires et une validation théorique de nos méthodes de simulation.

NANOMATÉRIAUX ET MATÉRIAUX D’INSPIRATION BIOLOGIQUE

RESPONSABLES DE L’AXE :
Peter Grutter et Delphine Bouilly

À l’échelle nanométrique, les frontières traditionnelles entre la physique, la chimie, l’ingénierie et la biologie disparaissent.

Les 38 membres du RQMP au sein de cet axe fabriquent, mesurent et modélisent des matériaux de faible dimension, tels que des molécules, des nanostructures et des couches minces, et exploitent leurs extraordinaires propriétés pour développer la prochaine génération d’applications allant de la récupération et du stockage d’énergie à la biocompatibilité et la biodétection.

Réduire la dimensionnalité d’un matériau à quelques nanomètres ou même à un seul atome ajoute un puissant levier de contrôle sur les propriétés optiques, électroniques et thermiques. Ces propriétés peuvent être exploitées pour obtenir de nouveaux matériaux et pour finir des technologies avec des efficacités et des performances considérablement améliorées.

Les chercheur(e)s du RQMP utilisent ce nouveau levier, avec un contrôle précis sur la croissance à l’échelle atomique, des modèles théoriques avancés et des techniques sophistiquées de caractérisation pour comprendre les propriétés fondamentales des matériaux résultant des interactions à faible dimensionnalité.

D’intérêt actuellement, notons les interactions excitoniques dans les matériaux 0D, 1D et 2D, la physique du Moiré résultant de la structure atomique mal adaptée des matériaux 2D empilés ; les hétérostructures 2D pour un contrôle sur mesure des propriétés optiques et électroniques, et les systèmes hiérarchiques pour des propriétés de transport électrique et thermique améliorées.

D’autres exemples incluent les nanofils 1D avec contrôle des espèces chimiques de chaque couche atomique, qui permettent de concevoir des sources lumineuses sans défaut et donc très efficaces ou des films à motifs ultra-minces pour le contrôle des interactions de surface pour l’administration de médicaments ou la formation de glace.

La réduction à une taille nanoscopique permet à des systèmes de nouvelle génération d’interagir avec la lumière, la chaleur et la matière de manière unique dans le contexte des dispositifs de conversion et de stockage d’énergie durable.
La rugosité nanoscopique peut être utilisée pour manipuler la lumière afin d’améliorer l’efficacité des cellules solaires. L’ingénierie de nanocomposites thermoélectriques pour maximiser simultanément la conductivité électrique et minimiser le transport thermique peut être réalisée grâce à une conception judicieuse des matériaux dans une perspective intégrée de conception.

Les progrès dans les systèmes de conversion et de stockage d’énergie chimique sont étayés par la connaissance de la chimie se produisant aux interfaces nanoscopiques ; par exemple au niveau de la couche catalyseur-réactif dans les cellules d’électrosynthèse.
Dans les batteries, la stratification ionique à l’échelle nanométrique aux frontières électrode-électrolyte affecte la conductivité électronique des matériaux d’électrode, influençant à son tour la cyclabilité de la batterie. Dans l’ensemble, la recherche sous ce thème emploie une approche multidisciplinaire, impliquant la conception et la synthèse de matériaux, la caractérisation précise et la modélisation théorique, pour examiner en détail la physique fondamentale qui se cache derrière une fonctionnalité et les limites des systèmes énergétiques, en vue d’améliorer les applications pratiques.

Les matériaux à l’échelle nanométrique offrent une interface unique avec les structures biologiques, car ils correspondent à la taille de la plupart des macromolécules biologiques (protéines, acides nucléiques) et autres structures subcellulaires en biologie. Des matériaux avancés peuvent être conçus et fabriqués pour détecter, étudier ou même contrôler des biomolécules et des structures biologiques. La conception de nanocanaux, de nanopores, de surfaces à motifs ou d’échafaudages 3D pour guider avec précision l’assemblage ou les trajectoires de biomolécules, ou pour adapter l’affinité, la mouillabilité ou la biocompatibilité des interfaces sont parmi les forces du RQMP.

L’exploitation des propriétés optiques, électriques ou magnétiques des nanomatériaux pour développer de nouvelles modalités de biodétection constitue une autre voie de recherche passionnante, y compris des applications comme les diagnostics en laboratoire sur puce ou les technologies d’imagerie in vivo.
Cet axe de recherche comprend également le développement de matériaux à base de « briques » d’inspiration biologique, notamment des monomères et polymères organiques, pour exploiter leurs avantages en termes d’approvisionnement biosourcé, de biocompatibilité ou de biodégradabilité.

NANOMATÉRIAUX ET MATÉRIAUX D’INSPIRATION BIOLOGIQUE

RESPONSABLES DE L’AXE :
Peter Grutter et Delphine Bouilly

À l’échelle nanométrique, les frontières traditionnelles entre la physique, la chimie, l’ingénierie et la biologie disparaissent.

Les 38 membres du RQMP au sein de cet axe fabriquent, mesurent et modélisent des matériaux de faible dimension, tels que des molécules, des nanostructures et des couches minces, et exploitent leurs extraordinaires propriétés pour développer la prochaine génération d’applications allant de la récupération et du stockage d’énergie à la biocompatibilité et la biodétection.

Réduire la dimensionnalité d’un matériau à quelques nanomètres ou même à un seul atome ajoute un puissant levier de contrôle sur les propriétés optiques, électroniques et thermiques. Ces propriétés peuvent être exploitées pour obtenir de nouveaux matériaux et pour finir des technologies avec des efficacités et des performances considérablement améliorées.

Les chercheur(e)s du RQMP utilisent ce nouveau levier, avec un contrôle précis sur la croissance à l’échelle atomique, des modèles théoriques avancés et des techniques sophistiquées de caractérisation pour comprendre les propriétés fondamentales des matériaux résultant des interactions à faible dimensionnalité.

D’intérêt actuellement, notons les interactions excitoniques dans les matériaux 0D, 1D et 2D, la physique du Moiré résultant de la structure atomique mal adaptée des matériaux 2D empilés ; les hétérostructures 2D pour un contrôle sur mesure des propriétés optiques et électroniques, et les systèmes hiérarchiques pour des propriétés de transport électrique et thermique améliorées.

D’autres exemples incluent les nanofils 1D avec contrôle des espèces chimiques de chaque couche atomique, qui permettent de concevoir des sources lumineuses sans défaut et donc très efficaces ou des films à motifs ultra-minces pour le contrôle des interactions de surface pour l’administration de médicaments ou la formation de glace.

La réduction à une taille nanoscopique permet à des systèmes de nouvelle génération d’interagir avec la lumière, la chaleur et la matière de manière unique dans le contexte des dispositifs de conversion et de stockage d’énergie durable.
La rugosité nanoscopique peut être utilisée pour manipuler la lumière afin d’améliorer l’efficacité des cellules solaires. L’ingénierie de nanocomposites thermoélectriques pour maximiser simultanément la conductivité électrique et minimiser le transport thermique peut être réalisée grâce à une conception judicieuse des matériaux dans une perspective intégrée de conception.

Les progrès dans les systèmes de conversion et de stockage d’énergie chimique sont étayés par la connaissance de la chimie se produisant aux interfaces nanoscopiques ; par exemple au niveau de la couche catalyseur-réactif dans les cellules d’électrosynthèse.
Dans les batteries, la stratification ionique à l’échelle nanométrique aux frontières électrode-électrolyte affecte la conductivité électronique des matériaux d’électrode, influençant à son tour la cyclabilité de la batterie. Dans l’ensemble, la recherche sous ce thème emploie une approche multidisciplinaire, impliquant la conception et la synthèse de matériaux, la caractérisation précise et la modélisation théorique, pour examiner en détail la physique fondamentale qui se cache derrière une fonctionnalité et les limites des systèmes énergétiques, en vue d’améliorer les applications pratiques.

Les matériaux à l’échelle nanométrique offrent une interface unique avec les structures biologiques, car ils correspondent à la taille de la plupart des macromolécules biologiques (protéines, acides nucléiques) et autres structures subcellulaires en biologie. Des matériaux avancés peuvent être conçus et fabriqués pour détecter, étudier ou même contrôler des biomolécules et des structures biologiques. La conception de nanocanaux, de nanopores, de surfaces à motifs ou d’échafaudages 3D pour guider avec précision l’assemblage ou les trajectoires de biomolécules, ou pour adapter l’affinité, la mouillabilité ou la biocompatibilité des interfaces sont parmi les forces du RQMP.

L’exploitation des propriétés optiques, électriques ou magnétiques des nanomatériaux pour développer de nouvelles modalités de biodétection constitue une autre voie de recherche passionnante, y compris des applications comme les diagnostics en laboratoire sur puce ou les technologies d’imagerie in vivo.
Cet axe de recherche comprend également le développement de matériaux à base de « briques » d’inspiration biologique, notamment des monomères et polymères organiques, pour exploiter leurs avantages en termes d’approvisionnement biosourcé, de biocompatibilité ou de biodégradabilité.

MATÉRIAUX POUR DE NOUVELLES TECHNOLOGIES DE POINTE

RESPONSABLES DE L’AXE :
Ludvik Martinu et Dominique Drouin

Les matériaux de pointe font appel à une compréhension approfondie des phénomènes physiques fondamentaux pour relever les défis technologiques associés à des applications de plus en plus exigeantes. Les avancées dans ce domaine requièrent une collaboration multidisciplinaire, qui implique aussi bien théoricien(ne)s qu’ingénieur(e)s, afin de comprendre et de maîtriser le comportement de la matière, de l’échelle de l’atome à celle du millimètre.

Les 53 membres du RQMP participant à cet axe contribuent à l’avancement des techniques de synthèse des matériaux de pointe, souvent guidées par le design des micro/nanostructures proposées par les chercheur(e)s de l’axe « Conception ciblée ».

De plus, ils collaborent étroitement pour diriger la recherche vers le développement des procédés et des dispositifs jusqu’au transfert technologique vers des compagnies dérivées ou des partenaires industriels.

Le développement des revêtements et couches minces vise aussi un avancement des techniques de fabrication basées sur les interactions physiques et chimiques à la surface lors de la croissance ; en considérant des méthodes de plasma, de faisceaux d’ions et d’autres approches énergétiques ainsi que des méthodes de diagnostic.
L’intégration des processus de modélisation, de fabrication et de caractérisation est essentielle au développement de couches fonctionnelles et multifonctionnelles, et dispositifs novateurs qui trouvent des applications dans des domaines aussi variés que l’optique, la photonique, la micro- et optoélectronique, les télécommunications, l’aérospatiale et l’exploration de l’espace, l’énergie, le manufacturier, et les domaines pharmaceutiques et biomédical.

Ceci exige l’accès à des techniques de caractérisation des propriétés en relation avec la microstructure, et souvent le développement de nouvelles méthodes. De plus, ces activités vont effectivement bénéficier des techniques d’apprentissage automatique, ainsi que des approches d’analyse des propriétés optiques, mécaniques, tribologiques, électrochimiques et autres, qui souvent sont reliées à la présence de défauts, à leur propagation, et à leur mitigation.

Le thème de la nanoélectronique se focalise aux propriétés électroniques des matériaux constitués de nanostructures de faibles dimensions, parfois d’un seul atome ou avec une contribution importante des interfaces, façonnés à l’aide de méthodes allant de l’auto-assemblage supramoléculaire à la croissance épitaxiale, en passant par les méthodes avancées de la microélectronique de pointe.

Les caractéristiques de tels systèmes font appel à des dispositifs de complexité croissante, où émergent des propriétés collectives, tels les dispositifs neuromorphiques, dispositifs quantiques, les transistors à un électron, ou les couches minces organiques. Notre compréhension des phénomènes va aussi bénéficier de l’émergence de l’acquisition et du traitement de l’information à l’échelle d’une seule molécule.

Ce thème se focalise sur les matériaux complexes au-delà des semi-conducteurs traditionnels, qui sont exploités au niveau fondamental et appliqué pour des utilisations avancées ayant un impact sur un large éventail de technologies finales, comme des matériaux des cellules solaires, à l’électrocatalyse, aux matériaux thermoélectriques, électrochromiques, thermochromiques et autres systèmes actifs et dynamiques.

Cependant, la complexité de ces processus énergétiques nécessite le développement des modèles de propriétés physiques, souvent de caractère quantique, qui doivent être couplées à des mesures spectroscopiques avancées, en particulier via des interactions photon-matière.

Grâce au couplage entre la théorie et les expériences, le RQMP vise à développer des connaissances fondamentales sur l’énergie quantique qui permettront l’avancement des technologies vertes révolutionnaires et le progrès vers une société durable.

MATÉRIAUX POUR DE NOUVELLES TECHNOLOGIES DE POINTE

RESPONSABLES DE L’AXE :
Ludvik Martinu et Dominique Drouin

Les matériaux de pointe font appel à une compréhension approfondie des phénomènes physiques fondamentaux pour relever les défis technologiques associés à des applications de plus en plus exigeantes. Les avancées dans ce domaine requièrent une collaboration multidisciplinaire, qui implique aussi bien théoricien(ne)s qu’ingénieur(e)s, afin de comprendre et de maîtriser le comportement de la matière, de l’échelle de l’atome à celle du millimètre.

Les 53 membres du RQMP participant à cet axe contribuent à l’avancement des techniques de synthèse des matériaux de pointe, souvent guidées par le design des micro/nanostructures proposées par les chercheur(e)s de l’axe « Conception ciblée ».

De plus, ils collaborent étroitement pour diriger la recherche vers le développement des procédés et des dispositifs jusqu’au transfert technologique vers des compagnies dérivées ou des partenaires industriels.

Le développement des revêtements et couches minces vise aussi un avancement des techniques de fabrication basées sur les interactions physiques et chimiques à la surface lors de la croissance ; en considérant des méthodes de plasma, de faisceaux d’ions et d’autres approches énergétiques ainsi que des méthodes de diagnostic.
L’intégration des processus de modélisation, de fabrication et de caractérisation est essentielle au développement de couches fonctionnelles et multifonctionnelles, et dispositifs novateurs qui trouvent des applications dans des domaines aussi variés que l’optique, la photonique, la micro- et optoélectronique, les télécommunications, l’aérospatiale et l’exploration de l’espace, l’énergie, le manufacturier, et les domaines pharmaceutiques et biomédical.

Ceci exige l’accès à des techniques de caractérisation des propriétés en relation avec la microstructure, et souvent le développement de nouvelles méthodes. De plus, ces activités vont effectivement bénéficier des techniques d’apprentissage automatique, ainsi que des approches d’analyse des propriétés optiques, mécaniques, tribologiques, électrochimiques et autres, qui souvent sont reliées à la présence de défauts, à leur propagation, et à leur mitigation.

Le thème de la nanoélectronique se focalise aux propriétés électroniques des matériaux constitués de nanostructures de faibles dimensions, parfois d’un seul atome ou avec une contribution importante des interfaces, façonnés à l’aide de méthodes allant de l’auto-assemblage supramoléculaire à la croissance épitaxiale, en passant par les méthodes avancées de la microélectronique de pointe.

Les caractéristiques de tels systèmes font appel à des dispositifs de complexité croissante, où émergent des propriétés collectives, tels les dispositifs neuromorphiques, dispositifs quantiques, les transistors à un électron, ou les couches minces organiques. Notre compréhension des phénomènes va aussi bénéficier de l’émergence de l’acquisition et du traitement de l’information à l’échelle d’une seule molécule.

Ce thème se focalise sur les matériaux complexes au-delà des semi-conducteurs traditionnels, qui sont exploités au niveau fondamental et appliqué pour des utilisations avancées ayant un impact sur un large éventail de technologies finales, comme des matériaux des cellules solaires, à l’électrocatalyse, aux matériaux thermoélectriques, électrochromiques, thermochromiques et autres systèmes actifs et dynamiques.

Cependant, la complexité de ces processus énergétiques nécessite le développement des modèles de propriétés physiques, souvent de caractère quantique, qui doivent être couplées à des mesures spectroscopiques avancées, en particulier via des interactions photon-matière.

Grâce au couplage entre la théorie et les expériences, le RQMP vise à développer des connaissances fondamentales sur l’énergie quantique qui permettront l’avancement des technologies vertes révolutionnaires et le progrès vers une société durable.

INTERACTION LUMIÈRE-MATIÈRE

RESPONSABLES DE L’AXE :
David G. Cooke et Stéphane Kena-Cohen

L’interface entre la lumière et la science des matériaux est un riche terrain de jeu scientifique, avec de nouveaux matériaux contrôlant la lumière ; de nouvelles manières qui peuvent être utilisées dans des domaines allant de la récupération d’énergie à la détection des ondes gravitationnelles.
Alternativement, la lumière peut être utilisée pour prendre un matériau conventionnel et changer complètement ses propriétés. 27 de nos membres collaborent pour comprendre et contrôler la façon dont la lumière interagit avec la matière. Nos efforts se concentrent sur quatre axes de recherche :

i) la dynamique ultrarapide de la matière corrélée ;
ii) le contrôle quantique de la matière ;
iii) la détection à la limite quantique utilisant la lumière ;
iv) la réalisation de nouveaux états photoniques quantiques grâce à l’ingénierie nanophotonique.

Sous chaque thème, les membres créent de nouvelles techniques et technologies expérimentales pour repousser les limites de ce qui peut être mesuré. Ils conçoivent de nouvelles approches théoriques en matière quantique condensée et en optique quantique pour expliquer ces mesures et concevoir de nouveaux systèmes matériels pour confiner et exploiter la lumière.

Les membres du RQMP sont des pionnier(e)s et des leader(euse)s mondiaux dans les techniques avancées de spectroscopie ultrarapide à résolution temporelle, de diffusion et de microscopie qui peuvent sonder de manière unique l’interaction entre la dynamique structurelle électronique et atomique.

Ces mesures révèlent la dynamique des états concurrents et co-existants tels qu’ils se forment à partir d’interactions complexes dans les systèmes de matière condensée quantique. L’objectif est de comprendre comment ces propriétés se manifestent à partir des interactions microscopiques complexes dans ces matériaux réels.

Les applications basées uniquement sur des matériaux et leurs propriétés sont souvent fortement restreintes à ce que fournit l’équilibre thermodynamique. Cependant, une forte interaction lumière-matière peut modifier le paysage énergétique complexe d’un matériau, d’une façon inaccessible par un ajustement conventionnel de la température, de la pression ou du volume.

La lumière peut amener les matériaux à évoluer vers de nouveaux minima locaux d’énergie, où ils prennent une phase complètement nouvelle avec des propriétés entièrement différentes de son état d’équilibre. Ces phases transitoires de la matière induites par la lumière commencent seulement à être comprises, mais leurs possibilités peuvent être illimitées.

Notre réseau possède une expertise de pointe en fabrication de microsystèmes mécaniques et optiques ultrasensibles capables d’approcher la sensibilité « limite quantique standard » (SQL) dans un système sur table à température ambiante.
Ces capteurs de pointe génèrent la plus large bande connue de lumière quantique « comprimée » utile pour surpasser le SQL lorsqu’ils sont injectés dans des expériences telles que les détecteurs à ondes gravitationnelles (p.ex. LIGO).

Ici, on tente de contrôler l’interaction de la lumière avec la matière en adaptant l’environnement photonique d’un matériau à l’échelle nanométrique. Cette ingénierie lumière-matière peut améliorer l’efficacité et la sensibilité des émetteurs et détecteurs photoniques de pointe, atteignant les limites imposées par la mécanique quantique. Dans la limite où les excitations de la lumière et de la matière se couplent fortement, on peut développer des structures qui transmettent les interactions entre les photons uniques ou transfèrent l’information quantique entre la lumière et la matière ; les deux forment la base de futures technologies quantiques.

INTERACTION LUMIÈRE-MATIÈRE

RESPONSABLES DE L’AXE :
David G. Cooke et Stéphane Kena-Cohen

L’interface entre la lumière et la science des matériaux est un riche terrain de jeu scientifique, avec de nouveaux matériaux contrôlant la lumière ; de nouvelles manières qui peuvent être utilisées dans des domaines allant de la récupération d’énergie à la détection des ondes gravitationnelles.
Alternativement, la lumière peut être utilisée pour prendre un matériau conventionnel et changer complètement ses propriétés. 27 de nos membres collaborent pour comprendre et contrôler la façon dont la lumière interagit avec la matière. Nos efforts se concentrent sur quatre axes de recherche :

i) la dynamique ultrarapide de la matière corrélée ;
ii) le contrôle quantique de la matière ;
iii) la détection à la limite quantique utilisant la lumière ;
iv) la réalisation de nouveaux états photoniques quantiques grâce à l’ingénierie nanophotonique.

Sous chaque thème, les membres créent de nouvelles techniques et technologies expérimentales pour repousser les limites de ce qui peut être mesuré. Ils conçoivent de nouvelles approches théoriques en matière quantique condensée et en optique quantique pour expliquer ces mesures et concevoir de nouveaux systèmes matériels pour confiner et exploiter la lumière.

Les membres du RQMP sont des pionnier(e)s et des leader(euse)s mondiaux dans les techniques avancées de spectroscopie ultrarapide à résolution temporelle, de diffusion et de microscopie qui peuvent sonder de manière unique l’interaction entre la dynamique structurelle électronique et atomique.

Ces mesures révèlent la dynamique des états concurrents et co-existants tels qu’ils se forment à partir d’interactions complexes dans les systèmes de matière condensée quantique. L’objectif est de comprendre comment ces propriétés se manifestent à partir des interactions microscopiques complexes dans ces matériaux réels.

Les applications basées uniquement sur des matériaux et leurs propriétés sont souvent fortement restreintes à ce que fournit l’équilibre thermodynamique. Cependant, une forte interaction lumière-matière peut modifier le paysage énergétique complexe d’un matériau, d’une façon inaccessible par un ajustement conventionnel de la température, de la pression ou du volume.

La lumière peut amener les matériaux à évoluer vers de nouveaux minima locaux d’énergie, où ils prennent une phase complètement nouvelle avec des propriétés entièrement différentes de son état d’équilibre. Ces phases transitoires de la matière induites par la lumière commencent seulement à être comprises, mais leurs possibilités peuvent être illimitées.

Notre réseau possède une expertise de pointe en fabrication de microsystèmes mécaniques et optiques ultrasensibles capables d’approcher la sensibilité « limite quantique standard » (SQL) dans un système sur table à température ambiante.
Ces capteurs de pointe génèrent la plus large bande connue de lumière quantique « comprimée » utile pour surpasser le SQL lorsqu’ils sont injectés dans des expériences telles que les détecteurs à ondes gravitationnelles (p.ex. LIGO).

Ici, on tente de contrôler l’interaction de la lumière avec la matière en adaptant l’environnement photonique d’un matériau à l’échelle nanométrique. Cette ingénierie lumière-matière peut améliorer l’efficacité et la sensibilité des émetteurs et détecteurs photoniques de pointe, atteignant les limites imposées par la mécanique quantique. Dans la limite où les excitations de la lumière et de la matière se couplent fortement, on peut développer des structures qui transmettent les interactions entre les photons uniques ou transfèrent l’information quantique entre la lumière et la matière ; les deux forment la base de futures technologies quantiques.