Maîtres des défauts
Le terme de bisulfure de molybdène est peut-être familier à certains automobilistes et mécaniciens. Rien d'étonnant à cela : cette substance, découverte par le chimiste américain Alfred Sonntag dans les années 1940, est encore utilisée aujourd'hui comme lubrifiant haute performance dans les moteurs et les turbines, mais aussi pour les boulons et les vis. Cela est dû à la structure chimique particulière de ce solide, dont les différentes couches de matériau peuvent facilement coulisser les unes sur aux autres. Le bisulfure de molybdène (MoS2 chimique) ne fait pas que bien lubrifier, il est également possible d'exfolier une seule couche atomique de ce matériau ou de la faire croître synthétiquement à l'échelle d'une plaquette. L'isolation contrôlée d'une monocouche de MoS2 n'a été réalisée qu'il y a quelques années, mais elle est déjà considérée comme une percée dans la science des matériaux avec un énorme potentiel technologique. C'est précisément avec cette classe de matériaux que l'équipe de l'Empa veut maintenant travailler.
Sa structure stratifiée en couches atomiques individuelles rend cette substance intéressante pour les physiciens à la recherche de matériaux de base pour les nano-ordinateurs de la prochaine génération. Le MoS2 et ses parents chimiques, appelés dichalcogénures de métaux de transition (TMD), est l'un des sujets les plus «chauds» dans toute une série de matériaux bidimensionnels (2D). Les TMD sont des semi-conducteurs 2D et ont une bande interdite directe, mais uniquement lorsqu'ils sont en monocouche, ce qui les rend particulièrement intéressants pour les circuits électroniques miniaturisés ultimes ou les détecteurs optiques. Les propriétés mécaniques quantiques robustes des matériaux 2D font également l'objet de recherches intensives pour une utilisation dans la métrologie quantique, la cryptographie quantique et la technologie de l'information quantique.
Ce n'est pas seulement le matériau de base qui compte, mais aussi et surtout la gestion des défauts : Comme pour le dopage des semi-conducteurs «classiques» dans les circuits intégrés ou les ions étrangers dans les lasers à l'état solide, les défauts atomiques sont la partie intéressante, en particulier pour les matériaux 2D, selon Bruno Schuler.
Des ordinateurs quantiques ultra-minces ?
Le chercheur de l'Empa veut caractériser les défauts atomiques dans les TMD à l'aide d'un instrument de mesure d'un nouveau genre et étudier leur aptitude à servir d'émetteurs quantiques. Les émetteurs quantiques constituent l'interface entre deux mondes : le spin de l'électron - le pendant du couple de l'électron en mécanique quantique - qui se prête au traitement de l'information quantique, et les photons, c'est-à-dire les particules de lumière, à l'aide desquels on peut transmettre des informations quantiques sur de longues distances sans perte. Les matériaux 2D présentent le grand avantage que les échelles d'énergie pertinentes sont beaucoup plus grandes que pour les matériaux 3D, de sorte qu'il sera probablement possible d'utiliser cette technologie au-dessus d'un environnement cryogénique - idéalement même à température ambiante. De plus, les défauts se trouvent obligatoirement à la surface du matériau 2D, ce qui les rend beaucoup plus faciles à repérer et à manipuler.
Mais il s'agit d'abord de repérer les défauts dans la couche bidimensionnelle de MoS2 et d'étudier avec précision ses propriétés électroniques et optiques. Précis, cela signifie dans ce cas que l'endroit étudié est exploré à un angström près. A titre de comparaison, 1 angström correspond à un mètre, comme 4 cm à la distance Terre-Lune (400'000 km). Et l'instantané qui enregistre l'excitation électronique du point quantique doit être précis à une picoseconde (ps) près - 1 ps est une fraction de seconde aussi petite que 2 jours par rapport à l'âge de la planète Terre (5 milliards d'années). Ces mesures ultracourtes et précises à l'échelle atomique fournissent alors une image très détaillée des processus dynamiques qui se déroulent à l'échelle atomique et de ce qui influence ces processus.
Un appareil composé de deux moitiés
L'appareillage dans lequel les expériences doivent avoir lieu se trouve déjà dans une pièce au sous-sol du bâtiment des laboratoires de l'Empa à Dübendorf, là où le sol est le plus stable mécaniquement. «Nous avons investi plus d'un an et demi de préparation et de développement pour finaliser notre montage expérimental», explique Bruno Schuler. «En octobre 2022, nous avons relié les deux moitiés de notre installation et avons pu mesurer pour la première fois des courants induits par des ondes lumineuses. Le principe fonctionne ! C'est une énorme étape dans le projet.»
Les deux moitiés avec lesquelles l'équipe de Bruno Schuler va maintenant travailler sont d'une part un microscope à effet tunnel (STM). La surface atomique de l'objet d'expérience est scannée à l'aide d'une pointe ultrafine. Les scientifiques positionnent la pointe pour l'expérience à un endroit défectueux, c'est-à-dire un défaut ou un atome «étranger» dans la structure.
C'est alors que la deuxième moitié de l'installation, mise en place par le collègue de Bruno Schuler Jonas Allerbeck, entre en action :un laser infrarouge de 50 watts envoie des impulsions laser ultracourtes sur un cristal de niobate de lithium optiquement non linéaire. Cela permet de générer une impulsion électromagnétique stable en phase dans la gamme de fréquences des térahertz. Cette impulsion a la particularité de ne durer qu'une seule oscillation lumineuse et, grâce à une optique spéciale, elle peut être divisée en une paire d'impulsions d'excitation et de balayage, qui se succèdent toutes deux avec un délai variable et permettent de mesurer la dynamique des électrons de manière stroboscopique.
Un électron «saute» sur le défaut
Les deux impulsions sont alors envoyées dans le STM et dirigées vers la pointe de l'échantillon. La première impulsion détache un électron de la pointe, qui «rebondit» sur le défaut de la couche bidimensionnelle de MoS2 et y déclenche une excitation électronique. «Il peut s'agir soit d'une charge électrique, d'une excitation de spin, d'une oscillation du réseau ou d'une paire électron-trou que nous créons à cet endroit», explique Bruno Schuler. «Avec la deuxième impulsion, nous regardons ensuite quelques picosecondes plus tard comment notre défaut a réagi à l'impulsion d'excitation, et nous pouvons ainsi étudier les processus de décohérence et le transfert d'énergie dans le matériau support.»
Bruno Schuler est ainsi l'un des rares spécialistes au monde à combiner une résolution temporelle picoseconde avec une méthode capable de «voir» les atomes individuels. Pour ce faire, l'équipe utilise la localisation intrinsèque des états dans le système de matériaux 2D afin de retenir les excitations plus longtemps au même endroit. «Le microscope à balayage ultra-rapide à ondes lumineuses nous ouvre de nouvelles perspectives fascinantes sur les processus de la mécanique quantique à l'échelle atomique, et les matériaux 2D constituent une plate-forme matérielle unique pour générer ces états de manière contrôlée», explique le chercheur de l'Empa.
Un ERC Starting Grant
Bruno Schuler et son équipe, les deux postdocs Jonas Allerbeck et Eve Ammerman, et les doctorants Lysander Huberich et Laric Bobzien, sont soutenus par des subventions du European Research Council. L'ERC Starting Grant encourage les jeunes scientifiques particulièrement talentueux, la Champions League de la communauté scientifique européenne. Bruno Schuler a bénéficié des meilleures conditions : il a étudié la physique à l'ETH Zurich et s'est spécialisé lors de son doctorat dans le lieu de naissance de la microscopie à balayage à effet tunnel, le laboratoire de recherche d'IBM à Rüschlikon. En tant que post-doctorant puis chef de groupe au Lawrence Berkeley National Lab aux États-Unis, il a effectué ses premières recherches sur des matériaux 2D et a coordonné une équipe de recherche internationale.
Il veut maintenant utiliser cette expérience pour renforcer et développer l'Empa en tant que site de recherche en nanotechnologie quantique. «Avec ce projet, nous avons le privilège de nous aventurer en terre scientifique inconnue et d'observer pour la première fois des choses qu'aucun être humain n'a jamais vues auparavant», explique Bruno Schuler. A l'Empa, le groupe de recherche de Bruno Schuler fait partie du laboratoire nanotech@surfaces dirigé par Roman Fasel. Ce groupe de renommée internationale mène des recherches sur les effets quantiques dans les nanostructures organiques et inorganiques de faible dimension, qui pourraient constituer une base pour les ordinateurs quantiques de la prochaine génération.
