Une nouvelle technologie permettant de placer en continu des atomes individuels exactement là où ils sont nécessaires pourrait conduire à de nouveaux matériaux pour des appareils répondant à des besoins critiques dans le domaine de l’informatique et de la communication quantiques qui ne peuvent pas être produits par des moyens conventionnels, affirment les scientifiques qui l’ont développée.
Une équipe de recherche du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie a créé un nouvel outil de microscopie avancé « écrire » avec des atomes, en plaçant ces atomes exactement là où ils sont nécessaires pour donner à un matériau de nouvelles propriétés.
« En travaillant à l’échelle atomique, nous travaillons également à l’échelle où les propriétés quantiques émergent et persistent naturellement », a déclaré Stephen Jesse, un scientifique des matériaux qui dirige cette recherche et dirige la section Caractérisations des nanomatériaux au Centre des sciences des matériaux nanophasés de l’ORNL, ou CNMS.
« Nous souhaitons utiliser cet accès amélioré au comportement quantique comme base pour de futurs dispositifs qui s’appuient sur des phénomènes quantiques uniques, comme l’intrication, pour améliorer les ordinateurs, créer des communications plus sécurisées et améliorer la sensibilité des détecteurs. »
Pour parvenir à un meilleur contrôle des atomes, l’équipe de recherche a créé un outil qu’elle appelle un synthescope pour combiner la synthèse avec la microscopie avancée. Les chercheurs utilisent un microscope électronique à balayage et à transmission, ou STEM, transformé en un microscope à l’échelle atomique plate-forme de manipulation de matériaux.
Le synthéscope fera progresser l’état de l’art en matière de fabrication jusqu’au niveau des éléments constitutifs individuels des matériaux. Cette nouvelle approche permet aux chercheurs de placer différents atomes dans un matériau à des emplacements spécifiques ; les nouveaux atomes et leurs emplacements peuvent être sélectionnés pour donner au matériau de nouvelles propriétés.
« Les ordinateurs classiques utilisent des bits, qui peuvent être 0 ou 1, et effectuent des calculs en inversant ces bits », explique Ondrej Dyck, un scientifique des matériaux de l’ORNL qui a contribué à la recherche. « Les ordinateurs quantiques utilisent des qubits, qui peuvent être à la fois 0 et 1. Les qubits peuvent également s’intriquer, un qubit étant connecté à l’état d’un autre. Ce système de qubits intriqués peut être utilisé pour résoudre certains problèmes beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques. La partie délicate consiste à maintenir ces qubits délicats stables et à les faire fonctionner correctement dans le monde réel.
Crédit : Laboratoire national d’Oak Ridge
« Une stratégie pour relever ces défis consiste à construire et à exploiter à l’échelle où la mécanique quantique existe plus naturellement, à savoir à l’échelle atomique. Nous avons réalisé que si nous avions un microscope capable de distinguer les atomes, nous pourrions peut-être utiliser le même microscope pour déplacer des atomes ou modifier des matériaux avec une précision atomique. Nous voulons également pouvoir ajouter des atomes aux structures que nous créons, nous avons donc besoin d’une réserve d’atomes. L’idée s’est transformée en une plateforme de synthèse à l’échelle atomique : le synthéscope. »
C’est un point important car la capacité à adapter les matériaux atome par atome peut être appliquée à de nombreuses applications technologiques futures dans le domaine de l’informatique quantique, et plus largement dans celui de la microélectronique et de la catalyse, et pour acquérir une meilleure compréhension des processus de synthèse des matériaux. Ces travaux pourraient faciliter la fabrication à l’échelle atomique, qui est notoirement difficile.
« Du simple fait que nous pouvons désormais placer les atomes où nous le souhaitons, nous pouvons envisager de créer des réseaux d’atomes précisément positionnés suffisamment près les uns des autres pour pouvoir s’emmêler et donc partager leurs propriétés quantiques, ce qui est essentiel pour rendre les dispositifs quantiques plus puissants que les dispositifs conventionnels », a déclaré Dyck.
De tels dispositifs pourraient inclure des ordinateurs quantiques (une nouvelle génération d’ordinateurs qui pourrait largement dépasser les supercalculateurs les plus rapides d’aujourd’hui), des capteurs quantiques et des dispositifs de communication quantique qui nécessitent une source d’un seul photon pour créer un système de communication quantique sécurisé.
« Nous ne nous contentons pas de déplacer des atomes », explique Jesse. « Nous démontrons que nous pouvons ajouter à un matériau une variété d’atomes qui n’y étaient pas auparavant et les placer là où nous le souhaitons. Il n’existe actuellement aucune technologie permettant de placer différents éléments exactement là où nous le souhaitons et d’obtenir la liaison et la structure adéquates. Grâce à cette technologie, nous pourrions construire des structures à partir de l’atome, conçues pour leurs propriétés électroniques, optiques, chimiques ou structurelles. »
Les scientifiques, qui font partie du CNMS, un centre de recherche en nanosciences et une installation utilisateur du DOE Office of Science, ont détaillé leurs recherches et leur vision dans une série de quatre articles publiés dans des revues scientifiques au cours d’une année, en commençant par preuve de principe que le synthéscope pourrait être réalisé. Ils ont déposé un brevet sur la technologie.
« Avec ces articles, nous réorientons la conception de la fabrication à l’échelle atomique à l’aide de faisceaux d’électrons », a déclaré Dyck. « Ensemble, ces manuscrits décrivent ce que nous pensons être la direction que prendra la technologie de fabrication atomique dans un avenir proche et le changement de conceptualisation nécessaire pour faire progresser ce domaine. »
En utilisant un faisceau d’électrons, ou e-beam, pour retirer et déposer les atomes, les scientifiques de l’ORNL ont pu réaliser une procédure d’écriture directe au niveau atomique.
« Le processus est remarquablement intuitif », a déclaré Andrew Lupini, chef du groupe STEM de l’ORNL et membre de l’équipe de recherche. « Les STEM fonctionnent en transmettant un faisceau électronique à haute énergie à travers un matériau. Le faisceau électronique est focalisé sur un point plus petit que la distance entre les atomes et balaie le matériau pour créer une image avec une résolution atomique. Cependant, les STEM sont connus pour endommager les matériaux mêmes qu’ils imagent. »
Les scientifiques ont réalisé qu’ils pouvaient exploiter ce « bug » destructeur et l’utiliser comme une fonction constructive pour créer des trous à dessein. Ils peuvent ensuite placer l’atome de leur choix dans ce trou, exactement là où ils ont créé le défaut. En endommageant volontairement le matériau, ils créent un nouveau matériau aux propriétés différentes et utiles.
« Nous étudions des méthodes pour créer ces défauts à la demande afin de pouvoir les placer où nous le souhaitons », a déclaré Jesse. « Étant donné que les STEM ont des capacités d’imagerie à l’échelle atomique et que nous travaillons avec des matériaux très fins qui ne font que quelques atomes d’épaisseur, nous pouvons voir chaque atome. Nous manipulons donc la matière à l’échelle atomique en temps réel. C’est l’objectif, et nous y parvenons. »
Pour démontrer cette méthode, les chercheurs ont déplacé un faisceau d’électrons d’avant en arrière sur un réseau de graphène, créant ainsi de minuscules trous. Ils ont inséré des atomes d’étain dans ces trous et ont ainsi obtenu un processus d’écriture directe, atome par atome, peuplant ainsi exactement les mêmes endroits où se trouvait l’atome de carbone avec des atomes d’étain.
« Nous pensons que les processus de synthèse à l’échelle atomique pourraient devenir une routine en utilisant des stratégies relativement simples. Associé à un contrôle automatisé du faisceau et à une analyse et une découverte pilotées par l’IA, le concept de synthéscope offre une fenêtre sur les processus de synthèse atomique et une approche unique de la fabrication à l’échelle atomique », a déclaré Jesse.