Les nanorubans de graphène possèdent des propriétés exceptionnelles qui peuvent être contrôlées avec précision. Des chercheurs de l'Empa et de l'ETH Zurich, en collaboration avec des partenaires de l'Université de Pékin, de l'Université de Warwick et de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères, ont réussi à attacher des électrodes à des nanorubans atomiquement précis, ouvrant ainsi la voie à une caractérisation précise des rubans fascinants et leur utilisation possible dans la technologie quantique.

La technologie quantique est prometteuse, mais aussi déroutante. Dans les décennies à venir, elle devrait nous apporter diverses avancées technologiques :des capteurs plus petits et plus précis, des réseaux de communication hautement sécurisés et des ordinateurs puissants qui peuvent aider à développer de nouveaux médicaments et matériaux, contrôler les marchés financiers et prédire la météo beaucoup plus rapidement que la technologie informatique actuelle ne pourrait jamais le faire.

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, une conductivité thermique et électrique extraordinairement élevées, ainsi que certains effets quantiques. Restreindre encore plus le matériau déjà bidimensionnel, par exemple en lui donnant une forme semblable à un ruban, donne naissance à une gamme d'effets quantiques contrôlables.

C'est précisément sur cela que l'équipe de Mickael Perrin s'appuie dans son travail. Depuis plusieurs années, les scientifiques du laboratoire Transport aux interfaces nanométriques 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 dans la revue Nature Electronics , Perrin et Jian Zhang, chercheur à l'Empa, ont réussi pour la première fois, en collaboration avec une équipe internationale, à contacter des nanorubans de graphène longs et atomiquement précis. "Un nanoruban de graphène d'une largeur de seulement neuf atomes de carbone ne mesure que 1 nanomètre de largeur", explique Zhang. Pour garantir qu’un seul nanoruban soit en contact, 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 documents sources. 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 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 de Mayence.

Comme cela 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. Les nanotubes de carbone ont été cultivés par un groupe de recherche de 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 constitué un défi considérable pour les 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 du dispositif et mis en contact par des électrodes métalliques. Ensuite, nous les coupons par 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 la clé :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", explique Perrin.

Des ordinateurs aux convertisseurs d'énergie

Les scientifiques ont confirmé le succès de leur expérience grâce à des mesures de transport de charges. "Les effets quantiques étant généralement plus prononcés à basse température, nous avons effectué les mesures à des températures proches du zéro absolu sous un vide poussé", explique Perrin. Il ajoute :"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 de nombreuses recherches restent 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 un double point quantique.

Un tel circuit pourrait servir de qubit, la plus petite unité d’information d’un ordinateur quantique. Perrin envisage d'explorer l'utilisation de nanorubans comme convertisseurs d'énergie hautement efficaces.

Plus d'informations : Jian Zhang et al, Contacter des nanorubans de graphène individuels à l'aide d'électrodes de nanotubes de carbone, Nature Electronics (2023). DOI :10.1038/s41928-023-00991-3

Informations sur le journal : Électronique naturelle

Fourni par les Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux