Développer des compétences transférables grâce à l'exploration des matériaux magnétiques quantiques

Bien que les titres des journaux d'aujourd'hui soient prompts à vanter les dernières découvertes scientifiques et les nouveaux appareils intelligents, ils mentionnent rarement les milliers d'étudiants en sciences et technologies (S&T) qui obtiennent chaque année leur diplôme dans les universités canadiennes. Nombre de ces diplômés sont ceux-là mêmes qui domineront les grands titres de la science et de l'industrie de demain, grâce en grande partie à leur formation dans les universités canadiennes.

Selon le récent rapport de l'Examen du soutien fédéral aux sciences, l'imbrication de la science et de l'enseignement dans les universités canadiennes « fait partie des principaux avantages nationaux d'un écosystème de recherche dynamique ». Cela s'explique en grande partie par le fait que « les diplômés iront de l'avant avec un esprit d'aventure et la certitude qu'ils peuvent s'attaquer à n'importe quel problème, quelle qu'en soit la difficulté. »

L'exploration des matériaux magnétiques quantiques est peut-être l'un des moyens les plus pertinents et les plus passionnants pour les étudiants en sciences et technologie d'acquérir de la confiance et de cultiver leur désir d'innover. En effet, connaître le magnétisme au niveau atomique d'un matériau quantique est souvent essentiel pour comprendre les propriétés fondamentales de ce matériau, avant qu'il ne puisse être utilisé dans des technologies de pointe dans les domaines de l'énergie et de l'informatique. En outre, nombre de ces matériaux continuent de recéler des mystères que la communauté scientifique est impatiente d'élucider.

L'étude du magnétisme quantique exige des étudiants qu'ils développent des compétences expérimentales et informatiques avancées, compétences qui peuvent ensuite être transférées à d'autres activités scientifiques et technologiques. Ainsi, les étudiants canadiens en magnétisme quantique contribuent réellement à apporter de nouvelles connaissances non seulement à ces matériaux complexes, mais aussi à de nombreux domaines de la science et de l'industrie canadiennes.

Martin LeBlanc

Martin LeBlanc est un doctorant qui se consacre à la recherche sur les matériaux magnétiques quantiques. Originaire du Nouveau-Brunswick, Martin a obtenu un diplôme de premier cycle en physique à l'Université de Moncton. De là, il a été attiré par l'Université Memorial de Terre-Neuve, où il a maintenant l'occasion d'étudier avec Martin Plumer, un professeur de physique qui a travaillé pour Seagate à la mise au point de matériaux d'enregistrement magnétique pour leurs disques durs d'ordinateur.

Aujourd'hui, M. Plumer guide des étudiants comme Martin LeBlanc dans l'utilisation de méthodes informatiques pour étudier un matériau magnétique quantique clé : l'alliage d'iridium et de manganèse (IrMn₃), le matériau utilisé dans la plupart des têtes de lecture des ordinateurs (c'est-à-dire le composant qui lit les données d'un disque dur). Toutefois, comme les disques durs actuels peuvent se détériorer en cas de changements importants de température, les fabricants de disques durs aimeraient développer un substitut à l'IrMn₃ qui fonctionne bien dans une plage de températures plus large.

La difficulté de ce travail réside dans le fait que les scientifiques ne comprennent pas encore parfaitement comment le magnétisme au niveau atomique de l'IrMn₃ lui permet de remplir efficacement sa fonction de tête de lecture. Sans cette connaissance, ils ne peuvent donner que peu d'indications sur la manière de concevoir un meilleur matériau.

C'est ce défi qui a conduit Martin Leblanc à poursuivre la recherche sur les matériaux magnétiques quantiques, un domaine de recherche qui s'appuie fortement sur les données des faisceaux de neutrons, car les neutrons sont magnétiques et peuvent donc contribuer à révéler les propriétés magnétiques d'un matériau.

« La perspective de combler les lacunes en matière de connaissances qui pourraient conduire à une mémoire informatique plus résistante m'a séduit », explique M. LeBlanc. « J'ai beaucoup apprécié les aspects informatiques de la modélisation des matériaux et la possibilité de comparer nos résultats avec des données réelles issues de mesures par faisceau de neutrons, afin d'en apprendre davantage sur leur fonctionnement. »

Pour combler cette lacune, M. Leblanc a développé un modèle informatique de l'IrMn₃ et s'est ensuite rendu à l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) aux États-Unis pour apprendre à réaliser des expériences avec des faisceaux de neutrons sur ce matériau. « Travailler avec des expérimentateurs nous aide à voir ce sur quoi il est important de se concentrer, afin de nous assurer que notre travail théorique est pertinent et utile », déclare Martin LeBlanc. « Nous travaillons maintenant à l'interprétation des données pour vérifier si notre hypothèse sur le fonctionnement du matériau est correcte. »

Combiner ses calculs avec des données expérimentales réelles est ce qu'il apprécie le plus, et il souhaite continuer à appliquer ces compétences dans sa future carrière. Il devrait avoir de nombreuses occasions de le faire, car ces aptitudes sont vitales dans de nombreux secteurs d'activité. Par exemple, la fabrication de pièces automobiles et aérospatiales demande aux chercheurs de combiner les données de modélisation informatique des propriétés microscopiques d'un métal avec les données des mesures obtenues à l'aide de neutrons et d'autres outils expérimentaux.

Ces compétences contribuent à faire du Canada un leader dans les industries émergentes. M. LeBlanc cite le cas d'un récent diplômé du groupe de recherche de M. Plumer, qui applique aujourd'hui ces mêmes compétences pour développer des matériaux électriques chez Solace Power, une entreprise de recherche et développement basée à Terre-Neuve, qui accorde des licences pour ses technologies de fourniture d'énergie sans fil à des appareils électroniques tels que les drones et les équipements militaires portables.

Jennifer Sears

Jennifer Sears, nouvellement diplômée de l'Université de Toronto et titulaire d'un doctorat en physique, est une autre jeune scientifique intéressée par la recherche sur les matériaux quantiques. Comme Martin LeBlanc, Jennifer est convaincue que ses compétences peuvent être largement appliquées et elle continue à les développer en tant que chercheuse postdoctorale en Allemagne. « Je développe un ensemble d'outils pour comprendre les matériaux qui peuvent être appliqués à de nombreuses industries », explique-t-elle.

Jennifer qualifie ses travaux sur les matériaux quantiques de « recherche de l'avenir », car cette catégorie de matériaux pourrait bien être à l'origine de technologies révolutionnaires dans des domaines tels que l'électronique. Mais les scientifiques ont encore beaucoup à apprendre sur les principes fondamentaux de ces matériaux avant de pouvoir concevoir de telles applications révolutionnaires, et des aspects clés de cette compréhension ne peuvent être obtenus que par le biais d'expériences avec des faisceaux de neutrons.

« Lorsque j'étais étudiante diplômée, la plupart de mes expériences utilisaient des faisceaux de neutrons », explique Jennifer, qui précise que les compétences qu'elle a acquises en étudiant les matériaux quantiques peuvent être transférées à l'étude de nombreux autres matériaux.

Par exemple, alors qu'elle était à l'Université de Toronto, elle a eu l'occasion d'appliquer ses compétences en matière de mesures par faisceau de neutrons dans le cadre d'une collaboration avec des scientifiques de CanmetMATERIALS à Hamilton, en Ontario, qui développent un moyen de recycler la chaleur perdue des moteurs de voiture en énergie électrique utile.

Aujourd'hui, le séjour de recherche de Jennifer à l'étranger la prépare encore mieux à une carrière scientifique réussie, que ce soit dans le monde universitaire, dans l'administration ou dans l'industrie.

Alannah Hallas

Alannah Hallas est une autre scientifique prometteuse dans le domaine de la recherche sur les matériaux quantiques. Elle a déjà à son actif un nombre impressionnant de publications scientifiques et de distinctions, mais au lycée, elle n'aurait jamais imaginé qu'elle ferait un jour de la recherche en physique. « Je pensais que la recherche en physique se résumait à la théorie ; je ne connaissais pas l'aspect expérimental. »

Alors qu'elle étudiait les mathématiques et la chimie à l'Université de Winnipeg, Chris Wiebe, professeur de chimie, l'a initiée à la recherche sur les matériaux et lui a fait visiter une grande installation scientifique produisant des faisceaux de neutrons pour sonder les matériaux.

« J'ai adoré l'aspect pratique des expériences sur les matériaux », explique Alannah. « Et j'ai bénéficié de collaborations étroites entre mon laboratoire universitaire et les grandes installations dès le début de ma formation. » Les installations neutroniques ont notamment joué un rôle important dans la trajectoire de recherche d'Alannah. « J'ai découvert que la communauté des faisceaux de neutrons est très favorable aux jeunes scientifiques », se souvient-elle.

Après avoir obtenu sa maîtrise en chimie sous la direction de Wiebe, Alannah a poursuivi ses études à l'Université McMaster pour obtenir un doctorat en physique. Elle y a poursuivi ses recherches sur les matériaux quantiques sous la co-supervision des professeurs Graeme Luke et Bruce Gaulin, ainsi qu'en collaboration continue avec Wiebe. Elle a mené des recherches dans plusieurs grandes installations scientifiques aux États-Unis et au Canada, ce qui lui a permis d'accéder à toute une série de sondes pour étudier les matériaux, y compris les neutrons, les muons et les rayons X. Elle a même visité des installations au Japon pour apprendre les techniques de pointe permettant de préparer de nouveaux matériaux pour ses expériences.

Aujourd'hui, après avoir obtenu son doctorat, Alannah travaille en tant que chercheuse postdoctorale à l'Université Rice, au Texas, ce qui lui permet d'élargir son expérience tout en collaborant avec des scientifiques de premier plan dans son domaine.

Faisceaux de neutrons et avenir de la recherche sur les matériaux magnétiques quantiques au Canada

Bien que Martin, Jennifer et Alannah aient tous une carrière prometteuse devant eux, ils craignent que le Canada ne soit pas en mesure de maintenir son rôle de leader dans le domaine de la recherche sur les matériaux utilisant des faisceaux de neutrons après la fermeture de l'installation des laboratoires de Chalk River et l'expiration de l'accord entre le Canada et l'ORNL, toutes deux prévues pour 2018.

Comme beaucoup dans la communauté de la diffusion des neutrons, Martin LeBlanc et Martin Plumer sont des experts dans leur domaine, mais pas nécessairement dans les techniques de faisceaux de neutrons sur lesquelles ils s'appuient pour leurs recherches. Pour obtenir ces connaissances, ils s'adressent à des spécialistes des faisceaux de neutrons et bénéficieraient donc grandement d'un centre d'expertise national qui pourrait les aider à accéder aux installations de faisceaux de neutrons en cas de besoin.

Jennifer et Alannah aimeraient retourner un jour au Canada pour y apporter les compétences et les connaissances qu'elles ont acquises auprès d'experts mondiaux dans leurs domaines de recherche respectifs. C'est pourquoi ils s'intéressent de près à ce que fera le Canada pour garantir l'accès aux faisceaux de neutrons à l'avenir.

« Bien que le Canada soit un pays relativement petit en termes de population, il est historiquement à la pointe de la diffusion des neutrons », explique Alannah. « En fait, les deux seuls prix Nobel de physique décernés au Canada sont tous deux issus de nos grandes installations scientifiques : les laboratoires de Chalk River et le SNOLAB. Nous devons investir dans cette secteur ; il serait tragique de la perdre. »

Cet article de recherche a été republié avec l’autorisation de l’Institut canadien de diffusion des neutrons.