Les matériaux ont montré une fonctionnalité à une large gamme de températures et une capacité considérablement accrue à stocker l’électricité

Le groupe de recherche du Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering, dirigé par l’éminent professeur Alexander Balandin, a montré en laboratoire la fonction unique et pratique des matériaux nouvellement créés, qu’ils ont appelés composites quantiques.

Ces composites sont constitués de petits cristaux appelés “matériaux quantiques à ondes de densité de charge” incorporés dans une matrice polymère (grosses molécules avec des structures répétitives). Lors du chauffage ou de l’exposition à la lumière, le matériau à ondes de densité de charge subit une transition de phase qui conduit à une réponse électrique inhabituelle des composites.

Par rapport à d’autres matériaux qui révèlent des phénomènes quantiques, les composites quantiques créés par le groupe de Balandin présentaient une fonctionnalité à une plage de températures beaucoup plus large et avaient une capacité considérablement accrue à stocker l’électricité, leur donnant un excellent potentiel d’utilité.

Les chercheurs de l’Université de Californie, Riverside, décrivent les propriétés uniques dans un article intitulé “Quantum Composites with Charge-Density-Wave Fillers” publié dans la revue Matériaux avancés. Les principaux auteurs de l’article sont Zahra Barani et Tekwam Geremew, étudiants diplômés de l’UCR du département de génie électrique et informatique du collège, qui ont synthétisé et testé les composites. Un autre étudiant diplômé de l’UCR, Maedeh Taheri, est un co-auteur qui a aidé aux mesures électriques. Balandin et Fariborz Kargar, professeur auxiliaire adjoint et scientifique du projet, sont les auteurs correspondants.\

Le terme quantique fait référence aux matériaux et dispositifs où les électrons se comportent plus comme des ondes que comme des particules. La nature ondulatoire des électrons peut donner aux matériaux des propriétés inhabituelles qui sont utilisées dans une nouvelle génération de technologies informatiques, électroniques et optiques.

Les matériaux qui révèlent les phénomènes quantiques sont recherchés pour construire des ordinateurs quantiques qui vont au-delà des limites de la plupart des ordinateurs qui sont maintenant basés sur des puces qui utilisent des bits binaires pour les calculs. De tels matériaux sont également recherchés pour des capteurs hypersensibles utilisés pour diverses applications électroniques et optiques.

Mais les matériaux avec des phénomènes quantiques ont des inconvénients majeurs, a déclaré Balandin.

“Le problème avec ces matériaux est que les phénomènes quantiques sont fragiles et généralement observés uniquement à des températures extrêmement basses”, a-t-il déclaré. “Les défauts et les impuretés détruisent la fonction d’onde électronique.”

Remarquablement, le matériau d’onde de densité de charge dans les composites quantiques créés par le laboratoire de Balandin présentait une fonctionnalité aussi élevée que 50 ° C au-dessus de la température ambiante. Cette température de transition est proche de la température de fonctionnement des ordinateurs et autres gadgets électroniques, qui chauffent lorsqu’ils fonctionnent. Cette tolérance de température ouvre la possibilité d’une large gamme d’applications des composites quantiques dans l’électronique et le stockage d’énergie.

Les chercheurs ont également découvert que les composites quantiques ont une constante diélectrique inhabituellement élevée – une métrique qui caractérise la capacité du matériau à stocker l’électricité. La constante diélectrique des composites électriquement isolants a augmenté de plus de deux ordres de grandeur, ce qui permet des condensateurs plus petits et plus puissants utilisés pour le stockage d’énergie.

“Les condensateurs de stockage d’énergie peuvent être trouvés dans les applications alimentées par batterie”, a déclaré Balandin. “Les condensateurs peuvent être utilisés pour fournir une puissance de crête et fournir de l’énergie à la mémoire de l’ordinateur lors d’un arrêt inattendu. Les condensateurs peuvent se charger et se décharger plus rapidement que les batteries. Afin d’élargir l’utilisation des condensateurs pour le stockage d’énergie, il faut augmenter l’énergie par volume. Notre matériau composite quantique peut aider à atteindre cet objectif.”

Une autre application possible pour les composites quantiques est le revêtement réfléchissant. La modification de la constante diélectrique induite par le chauffage, l’exposition à la lumière ou l’application d’un champ électrique peut être utilisée pour modifier la réflexion lumineuse des verres et fenêtres revêtus de tels composites.

“Nous espérons que notre capacité à préserver les phases de condensat quantique dans les matériaux à ondes de densité de charge, même à l’intérieur de composites désordonnés et même au-dessus de la température ambiante, pourra changer la donne pour de nombreuses applications. Il s’agit d’une approche conceptuellement différente pour régler les propriétés des composites. que nous utilisons dans la vie de tous les jours », a ajouté Balandin.

L’équipe de l’UCR a collaboré avec Megan Stokey, Matthew Hilfiker et Mathias Schubert, de l’Université du Nebraska, qui ont effectué certaines des mesures optiques, et Nicholas Sesing et Tina Salguero de l’Université de Géorgie, qui ont synthétisé un ingrédient utilisé dans le préparation composite à l’UCR.