Un nouveau composant quantique fabriqué à partir de graphène

Il y a moins de 20 ans, Konstantin Novoselov et Andre Geim ont créé pour la première fois des cristaux bidimensionnels constitués d'une seule couche d'atomes de carbone. Connu sous le nom de graphène, ce matériau a connu toute une carrière depuis lors. En raison de sa résistance exceptionnelle, le graphène est aujourd'hui utilisé pour renforcer des produits tels que les raquettes de tennis, les pneus de voiture ou les ailes d'avion. Mais c'est aussi un sujet intéressant pour la recherche fondamentale, car les physiciennes et physiciens ne cessent de découvrir de nouveaux phénomènes étonnants qui n'ont pas été observés dans d'autres matériaux.

Le bon virage

Les cristaux de graphène bicouche, dans lesquels les deux couches atomiques sont légèrement tournées l'une par rapport à l'autre, sont particulièrement intéressants pour les chercheurs et chercheuses. Il y a environ un an, une équipe de recherche dirigée par Klaus Ensslin et Thomas Ihn au Laboratoire de physique des solides de l'ETH Zurich a pu démontrer que le graphène torsadé pouvait être utilisé pour créer des jonctions Josephson, les éléments fondamentaux des dispositifs supraconducteurs.

Sur la base de ces travaux, les chercheurs et chercheuses ont pu produire le premier dispositif d'interférence quantique supraconducteur, ou SQUID, à partir de graphène torsadé, dans le but de démontrer l'interférence de quasi-particules supraconductrices. Les SQUID conventionnels sont déjà utilisés, par exemple en médecine, en géologie et en archéologie. Leurs capteurs sensibles sont capables de mesurer les plus petites variations des champs magnétiques. Cependant, les SQUID ne fonctionnent qu'avec des matériaux supraconducteurs et doivent donc être refroidis à l'hélium ou à l'azote liquide lorsqu'ils fonctionnent.

Dans la technologie quantique, les SQUID peuvent accueillir des bits quantiques (qubits), c'est-à-dire des éléments permettant d'effectuer des opérations quantiques. «Les SQUID sont à la supraconductivité ce que les transistors sont à la technologie des semi-conducteurs : les éléments de base de circuits plus complexes», explique Klaus Ensslin.

Le spectre s'élargit

Les SQUID en graphène créés par le doctorant Elías Portolés ne sont pas plus sensibles que leurs homologues conventionnels en aluminium et doivent également être refroidis à des températures inférieures à 2 degrés au-dessus du zéro absolu. «Il ne s'agit donc pas d'une percée pour la technologie SQUID en tant que telle», déclare Klaus Ensslin. Cependant, elle élargit considérablement le spectre d'application du graphène. «Il y a cinq ans, nous étions déjà en mesure de montrer que le graphène pouvait être utilisé pour construire des transistors à électron unique. Aujourd'hui, nous avons ajouté la supraconductivité», explique Klaus Ensslin.

Ce qui est remarquable, c'est que le comportement du graphène peut être contrôlé de manière ciblée en polarisant une électrode. En fonction de la tension appliquée, le matériau peut être isolant, conducteur ou supraconducteur. «Le riche spectre des possibilités offertes par la physique de l'état solide est à notre disposition», déclare Klaus Ensslin.

Il est également intéressant de constater que les deux éléments fondamentaux d'un semi-conducteur (transistor) et d'un supraconducteur (SQUID) peuvent désormais être combinés dans un seul matériau. Cela permet de construire de nouvelles opérations de contrôle. «Normalement, le transistor est fabriqué en silicium et le SQUID en aluminium», explique Klaus Ensslin. «Ce sont des matériaux différents qui nécessitent des technologies de traitement différentes».

Un processus de production extrêmement difficile

La supraconductivité du graphène a été découverte par un groupe de recherche du MIT il y a cinq ans, mais seuls une douzaine de groupes expérimentaux dans le monde s'intéressent à ce phénomène. Ils sont encore moins nombreux à être capables de convertir le graphène supraconducteur en un composant fonctionnel.

La difficulté réside dans le fait que les scientifiques doivent effectuer plusieurs étapes de travail délicates les unes après les autres : Tout d'abord, ils doivent aligner les feuilles de graphène à l'angle exact les unes par rapport aux autres. Les étapes suivantes comprennent ensuite la connexion des électrodes et la gravure des trous. Si le graphène devait être chauffé, comme cela arrive souvent lors du traitement en salle blanche, les deux couches se réalignent et l'angle de torsion disparaît. «Toute la technologie standard des semi-conducteurs doit être réajustée, ce qui en fait un travail extrêmement difficile», explique Elías Portolés.

La vision des systèmes hybrides

Klaus Ensslin a une longueur d'avance. Un grand nombre de technologies de qubits différentes sont actuellement en cours d'évaluation, chacune ayant ses propres avantages et inconvénients. La plupart des travaux sont menés par différents groupes de recherche au sein du Pôle de recherche national en sciences et technologies quantiques (QSIT). Si les scientifiques parviennent à coupler deux de ces systèmes à l'aide de graphène, il pourrait être possible de combiner également leurs avantages. «On obtiendrait alors deux systèmes quantiques différents sur le même cristal», explique Klaus Ensslin.

Cela générerait également de nouvelles possibilités pour la recherche sur la supraconductivité. «Avec ces composants, nous pourrions être mieux à même de comprendre comment la supraconductivité dans le graphène apparaît en premier lieu», ajoute-t-il. «Tout ce que nous savons aujourd'hui, c'est qu'il existe différentes phases de supraconductivité dans ce matériau, mais nous n'avons pas encore de modèle théorique pour les expliquer.»