USA - Nanotubes de carbone et points quantiques : l'armée pense TRÈS petit

 De : https://breakingdefense.com/2020/01/carbon-nanotubes-quantum-dots-army-thinks-very-small/

Environ 80% du financement scientifique de l'armée soutient la campagne de modernisation des Big Six du service - mais les 20% restants pour la recherche fondamentale à long terme pourraient transformer l'électronique militaire et civile.

Par   Sydney J. Freedberg Jr. le 07 janvier 2020 

 

Complexe du laboratoire de recherche de l'armée

WASHINGTON : Alors que le reste de l'armée travaille sur de nouveaux missiles hypersoniques , des mini-chars robotisés et des hélicoptères ultra-rapides , le bureau de recherche de l'armée plonge profondément dans le monde submicroscopique de la nanotechnologie et de la mécanique quantique .

L'armée s'intéresse vivement au potentiel d'amélioration des coûts et des capacités de son électronique, qui dans la guerre moderne est aussi vitale pour la survie que les armes à feu et les armures. Mais comme pour Internet, les radars et d'autres technologies à l'origine militaires, il existe également des applications civiles.

Nanotubes de carbone

Un projet du bureau de recherche de l'armée cherche à remplacer les semi-conducteurs traditionnels à base de silicium par des nanotubes de carbone plus efficaces, m'a dit le responsable du programme, Joe Qiu. La nouvelle technologie est particulièrement utile aux très hautes fréquences (plus de 30 gigahertz) et aux très courtes longueurs d'onde (ondes millimétriques) que l'industrie des télécommunications veut utiliser pour les réseaux 5G - y compris sur les bases militaires - et pour tout ce qui remplace la 5G.

Nanotubes de carbone. (Photo de l'Université de Virginie via la National Nanotechnology Initiative)

"Le déploiement initial de la 5G, sera inférieur à six gigahertz, mais il est prévu... d'améliorer les fréquences à 28 GHz et plus", a déclaré Qiu. "Ce n'est pas seulement la 5G - c'est au-delà de la 5G."

Dans combien de temps le secteur privé pourrait-il récolter les fruits de la recherche financée par l'ORA ?

« Utilisation commerciale des circuits intégrés à base de nanotubes de carbone ? Peut-être cinq ans », a-t-il dit, puis il a ajouté en riant : « C'est une estimation. N'en tenez pas compte !

Ce type de recherche peut prendre beaucoup de temps pour porter ses fruits, a averti Qiu. Le financement de l'armée a en fait aidé à lancer le bal sur les nanotubes de carbone pour l'électronique il y a 10 ans, a-t-il dit, et il a fallu autant de temps pour résoudre les problèmes.

Sceau du Bureau de recherche de l'armée

Il a été mathématiquement prouvé il y a dix ans que les nanotubes pouvaient canaliser l'électricité beaucoup plus efficacement, m'a dit Qiu. Alors que les semi-conducteurs de silicium forment un réseau qui permet aux électrons de se disperser dans toutes les directions - imaginez le trafic du centre-ville se déplaçant dans un réseau de rues - les nanotubes de carbone agissent essentiellement comme une autoroute qui canalise tous les électrons dans la direction souhaitée. (Le terme technique est transport balistique quantique). Mais produire suffisamment de nanotubes de taille et de qualité constantes et les aligner correctement a nécessité des années de travail supplémentaire, dont une grande partie a été financée par l'armée.

L'année dernière, dans le cadre d'une subvention de transfert de technologie pour petites entreprises (STTR) de l'ARO, l'Université de Californie du Sud et la start-up Carbonics Inc., soutenue par une entreprise, ont développé des transistors à nanotubes de carbone fonctionnels. La prochaine grande étape consiste à intégrer de nombreux transistors ensemble dans un circuit réel. Ensuite, a déclaré Qiu, vous pouvez parler de l'intégration de nombreux circuits ensemble pour construire un équipement réel.

Ce serait un travail pour d'autres parties de l'armée. "Le Bureau de recherche de l'armée, notre mission principale consiste en fait à investir dans la science fondamentale", a souligné Qiu. L'ARO n'est qu'un élément du Laboratoire de recherche de l'armée , qui fait à son tour partie du Commandement du développement des capacités de combat (anciennement RDECOM), qui est à son tour l'une des trois composantes majeures du Commandement du futur de l'armée , créé en 2018 pour coordonner tous les aspects de la modernisation. du remue-méninges sur des concepts futuristes à la mise en service de nouveaux équipements.

Chez ARO, a déclaré l'un des collègues de Qiu, Joseph Myers, "nous sommes ici un groupe de gestionnaires de programmes qui soutiennent la recherche fondamentale [qui est] susceptible de conduire à des avancées dans une variété de technologies différentes".

Points quantiques

Alors que Qiu, né en Chine et formé aux États-Unis, est un physicien devenu ingénieur puis directeur de programme, Myers est mathématicien et chef de la division des sciences mathématiques à l'ARO - un domaine, plaisante-t-il, notoirement déconnecté de la réalité mondaine. Les nanotubes de carbone de Qiu sont une fraction de la taille d'un seul cheveu humain. Leurs longueurs varient considérablement, mais leur épaisseur est généralement de six nanomètres ou moins. Myers finance des recherches sur les points quantiques, de minuscules cristaux de semi-conducteur dont la dimension la plus longue ne dépasse pas six nanomètres , ce qui signifie qu'ils pourraient éventuellement tenir à l'intérieur d'un nanotube.

La taille extrêmement petite permet une précision extrêmement fine. Lorsqu'il est alimenté, un point quantique émettra toujours une longueur d'onde très spécifique (dont la longueur d'onde dépend de la taille exacte du point). Ils émettent également ces fréquences précises plus puissamment, pendant plus longtemps, que les semi-conducteurs traditionnels. Certaines entreprises vendent déjà des téléviseurs « LED quantiques » haut de gamme qui utilisent cette propriété pour produire des couleurs plus vives : vous pouvez même vous en procurer un chez Best Buy .

L'inconvénient, poursuit Myers, est qu'il est beaucoup plus difficile de concevoir de l'électronique à l'aide de points quantiques. Les modèles classiques de la physique commencent à échouer lorsque vous commencez à entrer dans l'étrange domaine de la mécanique quantique, où des objets apparemment solides se transforment en champs d'énergie flous qui peuvent pulser et sauter de manière imprévisible. Contrairement à l'électronique traditionnelle qui utilise des charges électriques pour représenter les 1 et les 0, "la physique de ce qui se passe n'est plus aussi propre que zéro/un", a-t-il déclaré. "Il a une certaine probabilité d'être un zéro, une certaine probabilité d'être un."

Prédire précisément ces probabilités , en utilisant les techniques actuelles, est ardu et lent. "Nous connaissons en grande partie les équations, mais les équations sont tout simplement trop difficiles à résoudre exactement", a déclaré Myers. "Si vous connaissez l'âge de l'univers... vous pouvez peut-être effectuer l'un des calculs."

"Vous voulez le faire en moins d'une vie humaine", a-t-il déclaré. "Vous voulez le faire en un jour ou deux, ou une semaine ou deux, ou peut-être même quelques heures."

Alors, quelle précision pouvez-vous abandonner en toute sécurité pour obtenir vos résultats assez rapidement pour les utiliser réellement ?

Wei Cai, chercheur au SMU, et son équipe.

Myers a financé les travaux du professeur Wei Cai de la Southern Methodist University , qui a mis au point une technique de modélisation simplifiée, en utilisant un ancien supercalculateur de l'Air Force que Myers a réussi à faire transférer à SMU avant qu'il ne soit mis au rebut. (Le Pentagone a un programme permanent de réutilisation de la modernisation des ordinateurs à haute performance pour transmettre ses anciennes machines.)

En termes simples (très, très simplement), Cai a découvert quelles parties des modèles traditionnels ont tendance à avoir un impact si minime sur le résultat final – environ 0,000000001 % – que vous pouvez les ignorer en toute sécurité. Ensuite, vous pouvez simplement faire les calculs qui comptent vraiment.

La technique de Cai est 750 fois plus rapide que les approches concurrentes, a fièrement déclaré Myers. Dans sa forme actuelle, a-t-il averti, c'est encore faux environ 20% du temps, mais Cai travaille là-dessus – il est susceptible de demander un financement supplémentaire de l'armée cette année – et en attendant, il existe des moyens de revérifier les résultats .

Quel type de technologies améliorées pourriez-vous utiliser le modèle de Cai pour concevoir ? Outre les téléviseurs QLED déjà en vente, Myers a déclaré que plusieurs parties du laboratoire de recherche de l'armée s'intéressaient à tout, des panneaux solaires – un complément utile aux générateurs diesel gourmands en carburant et aux batteries lithium-fer lourdes – aux capteurs militaires et autres appareils électroniques. . Il existe également une application médicale potentielle dans l'amélioration des tomodensitogrammes, ce qui pourrait changer la vie non seulement des civils, mais aussi des survivants des bombes routières qui ont fait grincer des dents.

Le Congrès et les chiens de garde du bon gouvernement s'interrogent souvent, avec raison, sur les projets de recherche excentriques qui se glissent dans le budget du Pentagone sans lien clair avec un objectif militaire. Alors sous-secrétaire de l'armée, Ryan McCarthy - aujourd'hui secrétaire - a été largement salué en 2017-2018 lorsqu'il a remanié le portefeuille scientifique et technologique du service pour éliminer les projets à faible rendement et concentrer 80% des investissements sur les priorités de modernisation du Big Six . Mais McCarthy a également pris soin de laisser 20 % pour poursuivre la recherche fondamentale, sans contrainte par les besoins à court terme , pour semer les graines de véritables  percées à long terme .