Un nouvel élément quantique en graphène

Le bon tour

Les cristaux de graphène à deux couches, dans lesquels les deux couches atomiques sont légèrement tordues l'une par rapport à l'autre, sont particulièrement intéressants pour les chercheurs. C'est ainsi que des chercheurs du groupe de Klaus Ensslin et Thomas Ihn au Laboratoire de physique des solides de l'ETH Zurich ont pu montrer il y a environ un an qu'il était possible de construire des contacts dits de Josephson avec du graphène tordu, en quelque sorte les éléments de base des composants supraconducteurs.

En se basant sur ce travail, les chercheurs ont maintenant réussi à fabriquer le premier SQUID supraconducteur à partir de graphène torsadé. (SQUID, pour "superconducting quantum interference device" en anglais), qui permet de démontrer l'interférence de quasi-particules supraconductrices. Les SQUIDs conventionnels sont déjà utilisés dans la pratique dans différents domaines, par exemple en médecine, en géologie ou en archéologie. Ces capteurs sensibles sont capables de mesurer les plus petits changements dans les champs magnétiques. Toutefois, les SQUID ne fonctionnent qu'avec des matériaux supraconducteurs, raison pour laquelle ils doivent être refroidis à l'hélium liquide ou à l'azote lors de leur fonctionnement.

Dans la technologie quantique, les SQUIDs sont utilisés comme bits quantiques (qubits), c'est-à-dire comme éléments permettant d'effectuer des opérations quantiques. "Les SQUIDs sont à la supraconductivité ce que les transistors sont à la technologie des semi-conducteurs : l'élément de base à partir duquel on peut ensuite construire des circuits plus complexes", explique Ensslin.

Le spectre s'élargit

Les SQUIDs en graphène fabriqués par le doctorant Elías Portolés ne sont pas plus sensibles que les SQUIDs traditionnels en aluminium et doivent également être refroidis à des températures basses, inférieures à 2 degrés au-dessus du zéro absolu. "En ce sens, il ne s'agit pas d'une percée pour la technologie SQUID en tant que telle", affirme Ensslin sans équivoque. Le spectre d'utilisation du graphène s'élargit toutefois sensiblement. "Il y a cinq ans déjà, nous avons pu montrer qu'il était possible de construire des transistors à électron unique avec du graphène. Maintenant, la supraconductivité vient s'y ajouter", explique Ensslin.

Ce qui est remarquable, c'est que l'on peut contr?ler de manière ciblée le comportement du graphène gr?ce à l'électrode qui lui est raccordée. Selon la tension que l'on applique, le matériau est isolant, conducteur ou justement supraconducteur. "Toute la diversité des possibilités de la physique des solides est à disposition", estime Ensslin.

Il est en outre intéressant de constater qu'il est désormais possible de combiner dans un seul matériau les deux composants de base d'un semi-conducteur (transistor) et d'un supraconducteur (SQUID). Cela permet de construire des opérations de commutation d'un genre nouveau. "Normalement, on fabriquerait le transistor en silicium et le SQUID en aluminium", explique Ensslin. "Ce sont des matériaux différents qui nécessitent des technologies de traitement différentes".

Fabrication extrêmement exigeante

Bien que la supraconductivité dans le graphène ait été découverte il y a maintenant cinq ans par un groupe du MIT, il n'y a peut-être qu'une douzaine de groupes expérimentaux dans le monde qui observent la supraconductivité dans le graphène. Encore moins sont en mesure de transformer le graphène supraconducteur en un composant fonctionnel.

Le défi réside dans le fait que les scientifiques doivent réaliser plusieurs étapes de travail fragiles les unes après les autres : Tout d'abord, ils doivent ajuster les couches de graphène selon un angle précis les unes par rapport aux autres. Viennent ensuite les autres étapes, comme par exemple le raccordement des électrodes ou la gravure des trous. Si l'on chauffait le graphène, comme c'est souvent le cas dans les technologies de salle blanche, les deux couches se remettraient immédiatement en parallèle. "Toute la technologie standard des semi-conducteurs doit donc être adaptée", explique Portolés. "Cela rend la t?che extrêmement exigeante".

Les systèmes hybrides comme vision

Ensslin pense en outre déjà à un pas de plus : actuellement, des technologies très différentes sont étudiées pour les qubits, qui ont toutes leurs avantages et leurs inconvénients. La plupart de ces technologies sont étudiées par différents groupes de recherche au sein du P?le de recherche national Quantum Science and Technology (QSIT). Si l'on parvient maintenant à coupler deux de ces systèmes à l'aide du graphène, on pourrait peut-être aussi combiner leurs avantages. "On aurait alors deux systèmes quantiques différents sur le même cristal", explique Ensslin.

De nouvelles possibilités s'offrent également à la recherche sur la supraconductivité. "Gr?ce à ces composants, nous comprendrons peut-être mieux comment la supraconductivité se produit dans le graphène", estime Ensslin. "Aujourd'hui, nous savons seulement qu'il existe différentes phases de supraconductivité dans ce matériau. Mais nous n'avons pas encore de modèle théorique pour les expliquer".