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Physique quantique
par Michel Vonlanthen HB9AFO

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Dübendorf, St. Gallen und Thun, 25.07.2023 - Bruno Schuler lance un projet de recherche ambitieux avec sa jeune équipe : il va créer des défauts ciblés dans des couches de semi-conducteurs de la taille d'un atome et tenter de mesurer et de contrôler leurs propriétés quantiques avec une résolution temporelle de l'ordre de la picoseconde, tout en étant précis à l'atome près. Il devrait en résulter des connaissances fondamentales pour les futurs ordinateurs quantiques.
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.
Sur la physique quantique
Notes prises au fil de l'exposé
On chauffe un filament, qui expulse alors des électrons. On les accélère et on concentre le faisceau avec une forte tension positive et on les envoie sur une cible de nickel. Un détecteur est placé de biais en face de la cible et détecte ce qui revient. Il ne comprennent pas ce qui se passe.
Et puis le labo explose et ils doivent tout recommencer. Et là ils voient que le nickel qui a fondu s'est cristallisé. Les atomes se sont organisés et sont rangés de manière régulière. Ils se disent alors que si le flux d'électrons vise contre les atomes, ils sont réfléchis, et inversément s'ils visent entre les atomes. Or Davisson va à une conférence de Max Born sur la physique quantique à Cambridge où il explique l'intuition du Français Louis de Broglie qui pense que la matière pourrait être une onde. Einstein avait eu la même idée au sujet de la lumière, composée de photons (des grains) qui seraient en même temps des ondes. La matière serait donc aussi une onde. Mais pour qu'on voie la matière sous forme d'une onde, il faut qu'elle soit très petite et pas trop chaude.
Mac Born explique alors que la courbe de
l'expérience de Davisson et Germer n'est pas le rebond des électrons
sur les cristaux mais que le flux d'électrons est en réalité une
onde, c'est sa définition, et que cette onde se réfracte sur les
cristaux. Le problème, c'est que si on observe cette onde, elle se
transforme en "grain". Donc tant qu'on ne le regarde pas, le flux
est une onde. Dès qu'on le regarde (on le mesure), le flux se bloque
et devient un "grain". Qui apparaît dans le flux d'onde mais
n'importe où à chaque fois.
La quantification quantique
La superposition d'états
Le chat de Schrödinger
Oui mais comment ça
marche?
L'être humain est-il quantique?
Qu'est-ce qu'une onde?
Wikipedia: "une onde est un
champ, c'est-à-dire une zone de l'espace dont les propriétés sont
modifiées".
Dübendorf, St. Gallen und Thun, 15.08.2023 - Les nanorubans de graphène ont des propriétés exceptionnelles qui peuvent être contrôlées avec précision. Les chercheurs de l'Empa, de l'Université de Pékin et de l'Université de Warwick ont réussi pour la première fois à fixer des électrodes sur des nanorubans d'une précision atomique, ouvrant ainsi la voie à une caractérisation précise de ces rubans fascinants et à leur utilisation éventuelle dans la technologie quantique.
La technologie quantique est prometteuse, mais elle laisse aussi perplexe. Au cours des prochaines décennies, elle devrait nous permettre de réaliser diverses percées technologiques : des capteurs plus petits et plus précis, des réseaux de communication hautement sécurisés et des ordinateurs puissants capables de contribuer à la mise au point de nouveaux médicaments et matériaux, de contrôler les marchés financiers et de prédire le temps qu'il fera beaucoup plus rapidement que la technologie informatique actuelle ne l'a jamais fait.
Pour y parvenir, nous avons besoin de matériaux dits quantiques : des substances qui présentent des effets physiques quantiques prononcés. L'un de ces matériaux est le graphène. Cette forme structurelle bidimensionnelle du carbone possède des propriétés physiques inhabituelles, telles qu'une résistance à la traction extraordinairement élevée, une conductivité thermique et électrique, ainsi que certains effets quantiques. Si l'on restreint encore davantage ce matériau déjà bidimensionnel, par exemple en lui donnant une forme de ruban, on obtient toute une série d'effets quantiques contrôlables.
C'est précisément ce que l'équipe de Mickael Perrin exploite dans ses travaux : Depuis plusieurs années, les chercheurs du laboratoire "Transport at Nanoscale Interfaces" de l'Empa, dirigé par Michel Calame, effectuent des recherches sur les nanorubans de graphène sous la direction de Mickael Perrin. "Les nanorubans de graphène sont encore plus fascinants que le graphène lui-même", explique Mickael Perrin. "En variant leur longueur et leur largeur, ainsi que la forme de leurs bords, et en y ajoutant d'autres atomes, on peut leur conférer toutes sortes de propriétés électriques, magnétiques et optiques".
Précision extrême – jusqu'à l'atome
La recherche sur les rubans prometteurs n'est pas facile. Plus le ruban est étroit, plus ses propriétés quantiques sont prononcées, mais il est également plus difficile d'accéder à un seul ruban à la fois. C'est précisément ce qu'il faut faire pour comprendre les caractéristiques uniques et les applications possibles de ce matériau quantique et les distinguer des effets collectifs.
Dans une nouvelle étude publiée récemment dans la revue Nature Electronics, Mickael Perrin, Jian Zhang et le reste de l'équipe ont réussi pour la première fois à mettre en contact des nanorubans de graphène individuels, longs et précis à l'échelle atomique. Ce n'est pas une mince affaire : "Un nanoruban de graphène large de neuf atomes de carbone ne mesure qu'un nanomètre de largeur", explique Jian Zhang. Pour s'assurer qu'un seul nanoruban est touché, les chercheurs ont utilisé des électrodes de taille similaire : Ils ont utilisé des nanotubes de carbone dont le diamètre ne dépassait pas 1 nanomètre.
La précision est essentielle pour une expérience aussi délicate. Cela commence par les matériaux de base. Les chercheurs ont obtenu les nanorubans de graphène grâce à une collaboration étroite et de longue date avec le laboratoire nanotech@surfaces de l'Empa, dirigé par Roman Fasel. "Roman Fasel et son équipe travaillent depuis longtemps sur les nanorubans de graphène et peuvent en synthétiser de nombreux types différents avec une précision atomique à partir de molécules précurseurs individuelles", explique Mickael Perrin. Les molécules précurseurs proviennent de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères de Mayence.
Comme c'est souvent le cas pour faire progresser l'état de l'art, l'interdisciplinarité est essentielle, et différents groupes de recherche internationaux ont été impliqués, chacun apportant sa propre spécialité : Les nanotubes de carbone ont été créés par un groupe de recherche de l'Université de Pékin et les chercheurs de l'Empa ont collaboré avec des informaticiens de l'Université de Warwick pour interpréter les résultats de l'étude. "Un tel projet ne serait pas possible sans collaboration", souligne Jian Zhang.
La mise en contact de rubans individuels par des nanotubes a représenté un défi considérable pour les chercheurs. "Les nanotubes de carbone et les nanorubans de graphène sont cultivés sur des substrats distincts", explique Jian Zhang. "Tout d'abord, les nanotubes doivent être transférés sur le substrat du dispositif et mis en contact avec des électrodes métalliques. Ensuite, nous les coupons par lithographie à faisceau d'électrons à haute résolution pour les séparer en deux électrodes." Enfin, les rubans sont transférés sur le même substrat. La précision est essentielle : La moindre rotation des substrats peut réduire considérablement la probabilité d'un contact réussi. "L'accès à une infrastructure de haute qualité au centre de nanotechnologie Binnig et Roher d'IBM Research à Rüschlikon était essentiel pour tester et mettre en œuvre cette technologie", explique Mickael Perrin.
Des ordinateurs aux convertisseurs d'énergie
Les scientifiques ont confirmé le succès de leur expérience par des mesures de transport de charge. "Comme les effets quantiques sont généralement plus prononcés à basse température, nous avons effectué les mesures à des températures proches du zéro absolu dans un vide poussé", explique Mickael Perrin. Mais il s'empresse d'ajouter une autre qualité particulièrement prometteuse des nanorubans de graphène : "En raison de la taille extrêmement petite de ces nanorubans, nous nous attendons à ce que leurs effets quantiques soient si robustes qu'ils soient observables même à température ambiante." Selon le chercheur, cela pourrait nous permettre de concevoir et d'utiliser des puces qui exploitent activement les effets quantiques sans avoir besoin d'une infrastructure de refroidissement élaborée. "Ce projet permet de réaliser des dispositifs nanorubans individuels, non seulement pour étudier les effets quantiques fondamentaux tels que le comportement des électrons et des phonons à l'échelle nanométrique, mais aussi pour utiliser ces effets dans des applications pour les domaines de la commutation quantique, de la détection quantique et de la conversion quantique de l'énergie", ajoute Hatef Sadeghi de l'Université de Warwick, qui a collaboré au projet.
Les nanorubans de graphène ne sont pas encore prêts pour des applications commerciales, et il reste encore beaucoup de recherche à faire. Dans une étude complémentaire, Jian Zhang et Mickael Perrin visent à manipuler différents états quantiques sur un seul nanoruban. En outre, ils prévoient de créer des dispositifs basés sur deux rubans connectés en série, formant ce que l'on appelle un double point quantique. Un tel circuit pourrait servir de qubit - la plus petite unité d'information dans un ordinateur quantique. En outre, Mickael Perrin, dans le cadre de son ERC Starting Grant et d'une bourse professorale Eccellenza du FNS récemment obtenu, prévoit d'explorer l'utilisation des nanorubans en tant que convertisseurs d'énergie à haut rendement. Dans sa « inaugural lecture » à l’ETH Zurich, il dessine le tableau d'un monde dans lequel nous pourrions exploiter l'électricité à partir des différences de température, tout en ne perdant pratiquement pas d'énergie sous forme de chaleur - il s'agirait en effet d'un véritable saut quantique.
Coopération internationale
Plusieurs groupes de recherche ont apporté des contributions importantes à ce projet. Les nanorubans de graphène ont été fabriquées par le laboratoire "nanotech@surfaces" de l'Empa, dirigé par Roman Fasel, sur la base de molécules précurseurs fournies par l'équipe de Klaus Müllen de l'Institut Max-Planck de recherche sur les polymères à Mayence. Les membres du laboratoire Empa "Transport at Nanoscale Interfaces", dirigé par Michel Calame, dans lequel est également intégré le groupe de Mickael Perrin, ont intégré les nanorubans dans des "dispositifs" nanofabriqués. Les nanotubes de carbone de haute qualité, alignés avec précision, nécessaires à cette étude ont été fabriqués par le groupe de recherche de Jin Zhang à l'Université de Pékin. Et pour l'interprétation des résultats de l'étude, les chercheurs de l'Empa ont collaboré avec les des informaticiens de l'Université de Warwick, sous la direction de Hatef Sadeghi.
Adresse pour l'envoi de questions
Prof. Dr. Mickael Lucien Perrin