Une équipe de chercheurs de la TU Delft a réussi à concevoir l'un des capteurs à puce les plus précis au monde. L'appareil peut fonctionner à température ambiante, un « Saint Graal » pour les technologies quantiques et la détection. Combinant nanotechnologie et apprentissage automatique inspirés des toiles d'araignées de la nature, ils ont réussi à faire vibrer un capteur nanomécanique dans un isolement extrême du bruit quotidien. Cette avancée, publiée dans la revue Advanced Materials Rising Stars Issue, a des implications pour l'étude de la gravité et de la matière noire ainsi que pour les domaines de l'internet quantique, de la navigation et de la détection.

L'un des plus grands défis pour étudier les objets vibrants à la plus petite échelle, comme ceux utilisés dans les capteurs ou le matériel quantique, est de savoir comment empêcher le bruit thermique ambiant d'interagir avec leurs états fragiles. Le matériel quantique, par exemple, est généralement maintenu à des températures proches du zéro absolu (-273,15 ° C) et les réfrigérateurs coûtent un demi-million d'euros chacun. Des chercheurs de la TU Delft ont créé un capteur à micropuce en forme de toile qui résonne extrêmement bien indépendamment du bruit de la température ambiante. Entre autres applications, leur découverte rendra la construction d'appareils quantiques beaucoup plus abordable.

L'auto-stop sur l'évolution

Richard Norte et Miguel Bessa, qui ont dirigé la recherche, cherchaient de nouvelles façons de combiner la nanotechnologie et l'apprentissage automatique. Mais comment ont-ils eu l'idée d'utiliser les toiles d'araignées comme modèle ? Richard Norte :"Cela fait déjà une décennie que je fais ce travail lorsque, pendant le confinement, j'ai remarqué beaucoup de toiles d'araignées sur ma terrasse. J'ai réalisé que les toiles d'araignées sont de très bons détecteurs de vibrations, dans le sens où elles veulent mesurer les vibrations à l'intérieur de la toile pour trouver leur proie, mais pas en dehors d'elle, comme le vent dans un arbre. Alors pourquoi ne pas faire du stop sur des millions d'années d'évolution et utiliser une toile d'araignée comme modèle initial pour un appareil ultra-sensible ?"

Comme l'équipe ne savait rien de la complexité des toiles d'araignées, elle a laissé l'apprentissage automatique guider le processus de découverte. Miguel Bessa :"Nous savions que les expériences et les simulations étaient coûteuses et chronophages, alors avec mon groupe, nous avons décidé d'utiliser un algorithme appelé optimisation bayésienne, pour trouver une bonne conception en quelques tentatives." Dongil Shin, co-premier auteur de ce travail, a ensuite mis en œuvre le modèle informatique et appliqué l'algorithme d'apprentissage automatique pour trouver la nouvelle conception de l'appareil.

Capteur à micropuce basé sur des toiles d'araignées

À la surprise du chercheur, l'algorithme a proposé une toile d'araignée relativement simple parmi 150 modèles de toile d'araignée différents, qui se compose de seulement six chaînes assemblées d'une manière trompeuse. Bessa :"Les simulations informatiques de Dongil ont montré que cet appareil pouvait fonctionner à température ambiante, dans laquelle les atomes vibrent beaucoup, mais qu'il y avait toujours une quantité incroyablement faible d'énergie provenant de l'environnement, un facteur de qualité plus élevé en d'autres termes. Avec l'apprentissage automatique et optimisation, nous avons réussi à adapter le concept de toile d'araignée de Richard vers ce bien meilleur facteur de qualité."

Sur la base de cette nouvelle conception, le co-premier auteur Andrea Cupertino a construit un capteur à micropuce avec un film ultra-mince d'un nanomètre d'épaisseur de matériau céramique appelé nitrure de silicium. L'équipe a testé le modèle en faisant vibrer avec force la « toile » de la micropuce et en mesurant le temps qu'il a fallu pour que les vibrations s'arrêtent. Le résultat a été spectaculaire :une vibration isolée record à température ambiante. Norte :"Nous n'avons trouvé pratiquement aucune perte d'énergie à l'extérieur de notre réseau de micropuces :les vibrations se déplacent en cercle à l'intérieur et ne touchent pas l'extérieur. C'est un peu comme donner à quelqu'un une simple poussée sur une balançoire, et le faire se balancer pendant près d'un siècle sans s'arrêter."

Implications pour les sciences fondamentales et appliquées

Avec leur capteur basé sur une toile d'araignée, les chercheurs montrent comment cette stratégie interdisciplinaire ouvre la voie à de nouvelles avancées scientifiques, en combinant des conceptions bio-inspirées, l'apprentissage automatique et les nanotechnologies. Ce nouveau paradigme a des implications intéressantes pour l'Internet quantique, la détection, les technologies des micropuces et la physique fondamentale - en explorant par exemple les forces ultra-petites, comme la gravité ou la matière noire, qui sont notoirement difficiles à mesurer. Selon les chercheurs, la découverte n'aurait pas été possible sans la bourse Cohesion de l'université, qui a conduit à cette collaboration entre les nanotechnologies et l'apprentissage automatique. + Explorer plus loin

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