Les scientifiques de l'Empa «font tomber des murs»
«Le jury de Falling Walls continue de chercher des solutions issues de la science qui serviront l'humanité. De nombreuses contributions de cette année traitent de l'urgence de la crise du développement durable, qu'il s'agisse de l'accélération de la transition énergétique, des solutions de stockage en nuage ou du recyclage. L'appel à une plus grande interdisciplinarité est également évident dans les installations artistiques et s'étend à tout le spectre des sciences, y compris les sciences sociales et humaines – mettant en évidence les sciences en tant qu'agents du changement», déclare Helga Nowotny, présidente du jury et présidente émérite du Conseil européen de la recherche.
Une percée vers des matériaux quantiques en carbone de précision atomique
L'un de ces acteurs est le physicien Roman Fasel, professeur titulaire au Département de chimie, biochimie et pharmacie de l'Université de Berne et chef du département nanotech@surfaces de l'Empa. A ce titre, il travaille avec son équipe à la production de nouveaux nanomatériaux de carbone de faible dimension, comme les nanorubans de graphène, avec une précision ultime – lire: atomique. Cette précision structurelle permet de développer des composants électroniques entièrement nouveaux basés sur les effets quantiques.
Ces dernières années, l'équipe de M. Fasel a mis au point une nouvelle approche «ascendante» basée sur l'auto-assemblage assisté en surface de blocs de construction moléculaires, qui permet de fabriquer avec une précision atomique une grande variété de nanorubans de graphène. Dans ces nanorubans, tous les atomes de carbone sont situés exactement au bon endroit, conformément au «plan» prédéfini.
Pour vérifier la perfection structurelle de ces nanostructures et caractériser leurs propriétés électroniques, la plus haute résolution est nécessaire, ce que seule la microscopie à balayage offre. La largeur et la forme des bords des nanorubans déterminent leurs propriétés électroniques quantiques. Bien que les nanorubans conçus et synthétisés par l'équipe de Fasel ne diffèrent qu'au niveau des bords, ils ont des propriétés électroniques fondamentalement différentes. Par exemple, ils peuvent être métalliques, semi-conducteurs ou isolants. En modifiant légèrement la forme des rubans, les chercheurs de l'Empa créent des matériaux entièrement nouveaux. «Récemment, nous avons montré qu'en changeant la forme, il est également possible d'induire des moments magnétiques quantifiés, connus sous le nom de spins, et de contrôler leurs interactions, ce qui nous donne des nanomatériaux de graphène avec des états fondamentaux magnétiques quantiquement cohérents», a déclaré Fasel.
Grâce à ces avancées, les chercheurs ont pu mettre au point des méthodes et des outils pour fabriquer des structures complexes de nanorubans avec une précision telle que les effets quantiques peuvent être contrôlés et exploités de manière spécifique, à un niveau où un seul atome fait une différence cruciale. Cela a ouvert des perspectives concrètes pour les applications quantiques à base de carbone et rapproche considérablement les nanomatériaux à base de carbone des futures technologies quantiques.
Perspectives: Des technologies quantiques pour la vie quotidienne
M. Fasel et son équipe ont maintenant atteint le point où des états quantiques complexes peuvent être encodés de façon permanente dans des nanomatériaux de carbone. Le prochain grand défi consiste à comprendre comment contrôler et enchevêtrer un grand nombre de ces états quantiques de manière à ce qu'ils conviennent aux applications quantiques. «Mon espoir pour l'avenir est qu'il sera possible d'exploiter les effets quantiques dans les nanomatériaux de carbone à des fins quotidiennes avec une technologie quantique qui ne nécessite pas d'énormes systèmes de refroidissement coûteux, qui consomme peu d'énergie et qui est basée sur le carbone – un élément non toxique, peu coûteux et largement disponible. En bref, une technologie quantique qui répondra mieux à nos besoins quotidiens à l'avenir», a déclaré M. Fasel.
