Des nanomatériaux de carbone pour les futures technologies quantiques

Une contribution financière exceptionnellement importante va permettre à une équipe de recherche de l'Empa de travailler de manière particulièrement ciblée sur un projet ambitieux au cours des prochaines années : La Fondation Werner Siemens (WSS) soutient à hauteur de 15 millions de francs le projet CarboQuant de l'Empa. Ce projet doit permettre de jeter les bases de nouvelles technologies quantiques qui peuvent même fonctionner à température ambiante - contrairement aux technologies actuelles qui nécessitent pour la plupart un refroidissement jusqu'à des températures proches du zéro absolu. «Avec ce projet, nous osons faire un grand pas dans l'inconnu», explique Oliver Gröning, coordinateur du projet. «Grâce au partenariat avec la Fondation Werner Siemens, nous pouvons désormais nous éloigner nettement plus de la rive sûre des connaissances existantes, ce que nous ne pourrions pas faire dans le quotidien «normal» des scientifiques. Nous nous sentons un peu comme Christophe Colomb et cherchons maintenant au-delà de l'horizon quelque chose de complètement nouveau.»

Douze années de recherche intensive ont précédé l'expédition vers l'inconnu que les scientifiques de l'Empa Pascal Ruffieux, Oliver Gröning et Gabriela Borin-Barin entreprennent maintenant sous la direction de Roman Fasel. Les travaux du laboratoire Nanotech@surfaces de l'Empa dirigé par Roman Fasel ont régulièrement donné lieu à des publications dans des revues scientifiques renommées telles que Nature, Science et Angewandte Chemie.

En 2010, l'équipe avait synthétisé pour la première fois des bandes de graphène, appelées nanorubans, à partir de molécules chimiques précurseurs plus petites. Grâce à leur nouvelle approche de synthèse, les scientifiques de l'Empa sont aujourd'hui en mesure de produire des nanomatériaux à base de carbone avec une précision atomique et de définir ainsi avec précision leurs propriétés quantiques. Le graphène est considéré comme un matériau de construction possible pour les ordinateurs du futur ; il est composé de carbone et ressemble au graphite, un matériau connu. Le matériau a une épaisseur d'à peine une couche atomique et promet des architectures informatiques plus rapides et plus performantes que les matériaux semi-conducteurs connus aujourd'hui. En 2017 déjà, l'équipe de recherche avait construit le premier transistor en nanorubans de graphène en collaboration avec des collègues de l'University of California à Berkeley et publié le résultat dans Nature Communications.

Un premier jalon : le carbone magnétique

Mais les scientifiques ont ensuite réalisé un effet qui n'avait été prédit que théoriquement jusqu'à présent et qui semblait encore beaucoup plus intéressant : Leurs minuscules nanomatériaux de carbone taillés sur mesure présentaient des propriétés de magnétisme. En 2020, ils ont fait état pour la première fois dans la revue spécialisée Nature Nanotechnoloy de l'effet qu'ils avaient découvert - et en octobre 2021, ils ont présenté une représentation plus affinée : À l'aide de leurs minuscules nanomatériaux de carbone, ils avaient alors démontré pour la première fois un effet physique prédit près de 40 ans auparavant par le futur prix Nobel de physique F.D.M. Haldane : le fractionnement de spin. Ce fractionnement ne se forme que si de nombreux spins (c'est-à-dire des aimants quantiques fondamentaux) peuvent être placés dans une superposition quantique cohérente commune. Les scientifiques de l'Empa y sont parvenus dans leurs chaînes moléculaires synthétisées avec précision.

C'est sur ces effets de spin particuliers dans les nanorubans de graphène que CarboQuant doit maintenant se baser. Oliver Gröning : «Jusqu'à présent, nous voyons des états de spin à des endroits très précis des nanorubans de graphène, que nous pouvons construire et détecter de manière ciblée. La prochaine étape consistera à contrôler de manière ciblée ces états de spin, par exemple à inverser le spin à une extrémité du nanoruban et à produire une réaction correspondante à l'autre extrémité.» Les scientifiques de l'Empa auraient ainsi entre les mains quelque chose de très particulier : un effet quantique qui est stable et peut être manipulé même à température ambiante ou à un refroidissement modéré. Cela pourrait être une voie royale pour construire des ordinateurs quantiques d'un tout nouveau genre.

Un 0 et un 1 en même temps

Mais pourquoi les ordinateurs quantiques peuvent-ils calculer plus rapidement que les ordinateurs classiques ? Les ordinateurs classiques calculent en bits. Chaque composant peut présenter l'un des deux états possibles : 0 ou 1. Dans le monde quantique, en revanche, ces états peuvent se superposer : il est possible d'avoir 0 ou 1, ou les deux états en même temps. C'est pourquoi les circuits d'un ordinateur quantique, appelés qubits, peuvent effectuer non seulement une opération de calcul après l'autre, mais plusieurs simultanément. Oliver Gröning se réjouit déjà de l'expérience : «Si nous parvenons à contrôler les états de spin dans nos nanorubans, nous pourrons les utiliser pour des composants électroniques quantiques.»

Tandis qu'une partie de l'équipe continue d'étudier les effets de spin dans le vide poussé, une autre partie de l'équipe doit s'occuper de l'aptitude à l'utilisation quotidienne des nanorubans de graphène. «Nous devons sortir les composants de l'incubateur protégé du vide et les préparer de manière à ce qu'ils ne se désintègrent pas non plus dans notre monde, c'est-à-dire au contact de l'air et de la chaleur. Ce n'est qu'alors que nous pourrons munir les nanorubans de contacts - ce qui est la condition préalable à des applications utilisables sans infrastructure coûteuse», explique Oliver Gröning.

Rayonnement haute fréquence et impulsions laser intenses

L'entrée dans ce monde nouveau et inconnu sera malgré tout très exigeante. Déjà pour la première des étapes de recherche à venir, le contrôle et la mesure résolue en temps des états de spin, un tout nouveau parc d'appareils est nécessaire, que les scientifiques vont développer et mettre en place. «Nous devons étendre le microscope à balayage à effet tunnel (STM de l'anglais Scanning Tunneling Microscopy), dans lequel nous fabriquons les nanorubans et observons leur structure, avec des mesures ultra-rapides des propriétés électroniques et magnétiques», explique Oliver Gröning. Cela peut se faire par des signaux électriques à haute fréquence dans des champs magnétiques élevés et par irradiation avec des impulsions laser très courtes et extrêmement intenses.

Pour ce faire, l'Empa met en place deux nouveaux systèmes de mesure qui joueront également un rôle clé dans d'autres projets de recherche de l'équipe et qui sont cofinancés par le Fonds national suisse (FNS) et le Conseil européen de la recherche (ERC). «Cela montre, d'une part», explique Oliver Gröning, «que des synergies naissent toujours de différents projets et, d'autre part, que des objectifs ambitieux ne peuvent être atteints qu'avec le soutien de différents acteurs à plusieurs niveaux.» Rien que pour la mise en place de ces nouveaux appareils d'analyse et pour les premiers tests, les scientifiques prévoient deux à trois ans.

Un projet très particulier

 Grâce à ce financement généreux et à long terme, CarboQuant est désormais un projet très particulier, déclare Oliver Gröning. L'équipe de scientifiques du laboratoire Nanotech@surfaces de l'Empa dispose désormais d'une liberté de conception exceptionnellement grande et durable pour atteindre son objectif de recherche ambitieux : un matériau de construction possible pour les ordinateurs quantiques de la prochaine génération. «Nous ne voyons certes pas encore l'île qui pourrait se trouver là-bas. Mais nous la devinons, et s'il y a quelque chose là-bas, nous sommes persuadés que nous le trouverons grâce au soutien de la Fondation Werner Siemens et de nos partenaires de recherche nationaux et internationaux», conclut Oliver Gröning.