Des chercheurs contactent des nanorubans de graphène uniques

Pour y parvenir, nous avons besoin de matériaux dits quantiques : des substances qui présentent des effets physiques quantiques prononcés. 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. Restreindre encore plus le matériau déjà bidimensionnel, par exemple en lui donnant une forme de ruban, donne lieu à une gamme d’effets quantiques contrôlables.

C’est précisément ce sur quoi l’équipe de Mickael Perrin s’appuie dans ses travaux : depuis plusieurs années, les scientifiques du laboratoire Transport at Nanoscale Interfaces de l’Empa, dirigé par Michel Calame, mènent des recherches sur les nanorubans de graphène sous la direction de Perrin. “Les nanorubans de graphène sont encore plus fascinants que le graphène lui-même”, explique Perrin. “En faisant varier leur longueur et leur largeur, ainsi que la forme de leurs bords, et en leur ajoutant d’autres atomes, vous pouvez leur donner toutes sortes de propriétés électriques, magnétiques et optiques.”

Précision ultime – jusqu’aux atomes uniques

La recherche sur les rubans prometteurs n’est pas facile. Plus le ruban est étroit, plus ses propriétés quantiques sont prononcées, mais il devient 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, Perrin et le chercheur de l’Empa Jian Zhang, ainsi qu’une équipe internationale, ont réussi pour la première fois à contacter des nanorubans de graphène longs et atomiquement précis. Ce n’est pas une tâche triviale : “Un nanoruban de graphène qui ne fait que neuf atomes de carbone de large mesure aussi peu que 1 nanomètre de large”, explique Zhang. Pour s’assurer qu’un seul nanoruban est contacté, les chercheurs ont utilisé des électrodes de taille similaire : ils ont utilisé des nanotubes de carbone qui n’avaient également qu’un nanomètre de diamètre.

La précision est la clé d’une expérience aussi délicate. Cela commence par les matériaux de base. Les chercheurs ont obtenu les nanorubans de graphène grâce à une collaboration solide et de longue date avec le laboratoire des surfaces nanotechnologiques de l’Empa, dirigé par Roman Fasel. “Roman Fasel et son équipe travaillent depuis longtemps sur les nanorubans de graphène et peuvent synthétiser de nombreux types différents avec une précision atomique à partir de molécules précurseurs individuelles”, explique Perrin. Les molécules précurseurs provenaient de l’Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères à Mayence.

Comme il est souvent nécessaire 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 à la table : les nanotubes de carbone ont été cultivés par un groupe de recherche à l’Université de Pékin, et pour interpréter les résultats de l’étude, les chercheurs de l’Empa ont collaboré avec des informaticiens de l’université de Warwick. “Un projet comme celui-ci ne serait pas possible sans collaboration”, souligne Zhang.

La mise en contact de rubans individuels par des nanotubes a posé un défi considérable aux chercheurs. “Les nanotubes de carbone et les nanorubans de graphène sont cultivés sur des substrats séparés”, explique Zhang. “Tout d’abord, les nanotubes doivent être transférés sur le substrat de l’appareil et mis en contact avec des électrodes métalliques. Ensuite, nous les coupons avec une lithographie par 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 : même la moindre rotation des substrats peut réduire considérablement la probabilité d’un contact réussi. “Avoir 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”, déclare Perrin.

Des ordinateurs aux convertisseurs d’énergie

Les scientifiques ont confirmé le succès de leur expérience grâce à des mesures de transport de charge. “Parce que 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 Perrin. Mais il s’empresse d’ajouter encore 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’exploiter des puces qui exploitent activement les effets quantiques sans avoir besoin d’une infrastructure de refroidissement élaborée.

« Ce projet permet la réalisation de dispositifs à nanoruban unique, non seulement pour étudier les effets quantiques fondamentaux tels que le comportement des électrons et des phonons à l’échelle nanométrique, mais également pour exploiter ces effets pour des applications dans la commutation quantique, la détection quantique et la conversion d’énergie quantique. ajoute Hatef Sadeghi, professeur à 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 recherches à faire. Dans une étude de suivi, Zhang et Perrin visent à manipuler différents états quantiques sur un seul nanoruban. De plus, ils envisagent de créer des dispositifs basés sur deux rubans connectés en série, formant ce qu’on appelle une double boîte quantique. Un tel circuit pourrait servir de qubit, la plus petite unité d’information dans un ordinateur quantique. De plus, Perrin, dans le cadre de sa bourse de démarrage ERC récemment obtenue et d’une bourse professorale SNSF Eccellenza, prévoit d’explorer l’utilisation des nanorubans comme convertisseurs d’énergie hautement efficaces. Dans sa conférence inaugurale à l’ETH Zurich, il brosse le tableau d’un monde dans lequel nous pouvons exploiter l’électricité à partir de la différence de température, tout en ne perdant pratiquement pas d’énergie sous forme de chaleur – ce serait en effet un véritable saut quantique.