Une jeune chercheuse fait briller des molécules quantiques
Les technologies quantiques sont extrêmement prometteuses. Elles permettraient de résoudre des problèmes de calcul intensif dans les domaines de la recherche fondamentale, de la médecine et de la communication. Mais avant qu'elles puissent être largement utilisées parallèlement aux technologies existantes, elles doivent encore devenir beaucoup plus robustes. En effet, de nombreux types d'effets quantiques ne sont perceptibles qu'à l'échelle nanométrique. Les chercheurs quantiques travaillent donc souvent avec des molécules individuelles pour observer des phénomènes de physique quantique de manière isolée. Une voie particulièrement prometteuse est l'utilisation de « molécules de conception » sur mesure. Mais travailler avec des structures aussi minuscules est loin d'être simple, sait la chercheuse de l'Empa Eve Ammerman.
La physicienne fait de la recherche depuis deux ans dans le laboratoire « nanotech@surfaces » de l'Empa, sous la direction de Roman Fasel. Ce laboratoire est un pionnier dans la fabrication et l'utilisation de nano-graphènes. Ces morceaux de graphène, un matériau carboné bidimensionnel de la taille d'un nanomètre, possèdent des propriétés physiques quantiques marquées – qui peuvent en outre être contrôlées par la forme de la molécule. Eve Ammerman s'intéresse aux nanomolécules de graphène qui possèdent ce que l'on appelle un spin. Le spin, une forme de magnétisme en mécanique quantique, est considéré comme particulièrement intéressant pour les technologies quantiques. Il permettrait éventuellement de réaliser un qubit, l'unité d'information de base d'un ordinateur quantique. Mais le spin seul ne suffit pas pour une application pratique : Pour pouvoir interagir avec les nano-graphes magnétiques, les chercheurs doivent relier les molécules à d'autres composants, qui assurent par exemple l'entrée et la sortie.
Communiquer avec la lumière
Mais comment « câbler » un morceau de graphène de seulement un nanomètre ? « Cette minuscule molécule, qui ne compte que quelques dizaines d'atomes de carbone, ne doit pas être endommagée lors de cette opération », explique Eve Ammerman. A cela s'ajoute un autre risque : les interactions avec l'environnement peuvent perturber les fragiles états quantiques du nano-graphène. Dans son projet de recherche, Eve Ammerman emprunte donc une autre voie. Elle veut éclairer la molécule porteuse de spin – littéralement. Pour ce faire, elle relie les nanomolécules de graphène à un chromophore, une molécule qui peut émettre de la lumière. Si le spin du nano-graphène change, la lumière du chromophore change également – et celle-ci peut être mesurée sans contact. Pour son projet, la chercheuse a reçu une « Empa Young Scientist Fellowship » de deux ans.
Eve Ammerman s'attend à quelques défis. Comment relier les deux molécules pour qu'elles se « parlent » sans se gêner l'une l'autre ? Quelle doit être la structure exacte des molécules ? Et comment mesurer les résultats ? « Bien qu'il y ait déjà eu pas mal de recherches tant sur les nano-graphènes que sur les molécules émettant de la lumière, nous avons peu de données sur ce qui se passe lorsqu'on les combine », explique-t-elle. Au cours des deux prochaines années, elle veut combler ce manque de connaissances – et développer un duo de molécules qui peut être transformé en composants fonctionnels de mécanique quantique. De tels composants permettraient par exemple de relier les futurs systèmes quantiques et les technologies de fibres optiques existantes. « Le travail à l'interface entre les principes fondamentaux et les applications me fascine », déclare la chercheuse.
Promotion des talents à l'Empa
L'« Empa Young Scientist Fellowship » est un instrument d'encouragement pour les jeunes scientifiques exceptionnellement doués. Les fellows reçoivent les moyens financiers nécessaires pour mener à bien un projet de recherche autonome pendant deux ans. Les Fellowships sont attribués dans le cadre d'une procédure de concours visant à sélectionner les projets présentant le meilleur potentiel.
