Un matériau qui se compose d'atomes d'un seul élément, mais qui a des propriétés complètement différentes selon le "modèle" atomique - cela peut sembler étrange, mais c'est une réalité avec les nanobandes de graphène. Les bandes, qui n'ont que quelques atomes de carbone de largeur et exactement un atome d'épaisseur, ont des propriétés électroniques très différentes selon leur forme et leur largeur : conducteur, semi-conducteur ou isolant. Une équipe de recherche internationale dirigée par le département "nanotech@surfaces" de l'Empa a réussi à ajuster avec précision les propriétés des bandes en variant spécifiquement leur forme. La particularité de cette technologie est qu'elle ne modifie pas seulement les propriétés électroniques "habituelles" mentionnées ci-dessus - elle peut également être utilisée pour générer des états quantiques locaux spéciaux.

Qu'est-ce qu'il y a derrière tout ça ? Si la largeur d'une nanobande étroite de graphène change, dans ce cas de sept à neuf atomes, une zone spéciale est créée lors de la transition : parce que les propriétés électroniques des deux zones diffèrent d'une manière spéciale, appelée topologique, un nouvel état quantique "protégé" et donc très robuste est créé dans la zone de transition. Cet état quantique électronique localement limité peut maintenant être utilisé comme composant de base pour produire des semi-conducteurs, des métaux ou des isolants sur mesure - et peut-être même comme composant dans les ordinateurs quantiques.

Les chercheurs de l'Empa sous la direction d'Oliver Gröning ont pu montrer : Si les bandes sont construites de telle sorte que des gammes de largeurs différentes alternent régulièrement, alors une chaîne d'états quantiques interconnectés avec sa propre structure électronique est créée par les nombreuses transitions. Ce qui est passionnant, c'est que les propriétés électroniques de la chaîne changent en fonction de la largeur des différents segments. Cela permet de les régler finement - des conducteurs aux semi-conducteurs avec différents intervalles de bande passante. Ce principe peut être appliqué à de nombreuses zones de transition différentes - par exemple aussi à celle de sept à onze atomes.

"L'importance de ce développement est également soulignée par le fait qu'un groupe de recherche de l'Université de Californie, Berkeley, est parvenu à des résultats similaires indépendamment de nous ", a déclaré Gröning. Les travaux de l'équipe de recherche américaine ont été publiés dans le même numéro de Nature.

Les propriétés électroniques de la chaîne peuvent être ajustées avec précision.

Sur la base de ces nouvelles chaînes quantiques, des nanotransistors précis pourraient être fabriqués à l'avenir - une étape fondamentale sur la voie de la nanoélectronique. Le fait que la distance de commutation entre l'état "1" et l'état "0" du nanotransistor soit suffisamment grande dépend de la bande passante du semi-conducteur - et avec la nouvelle méthode, cela peut être réglé presque arbitrairement.

En réalité, ce n'est pas aussi simple : pour que la chaîne ait les propriétés électroniques souhaitées, chacun des quelques centaines, voire milliers d'atomes doit se trouver au bon endroit. "Il s'agit d'une recherche complexe et interdisciplinaire", explique Gröning, chercheur à l'Empa. "Des chercheurs de différentes disciplines à Dübendorf, Mayence, Dresde et Troy (USA) ont travaillé ensemble - de la compréhension théorique et des connaissances spécifiques sur la façon dont les molécules précurseurs doivent être construites et comment les structures sur les surfaces peuvent être développées de manière sélective à l'analyse structurelle et électronique à l'aide d'un microscope à balayage à effet tunnel.

Les transistors ultra-compacts - et donc l'étape suivante dans la miniaturisation des circuits électroniques - sont ici les possibilités d'application évidentes : bien qu'il s'agisse d'un défi technique, l'électronique basée sur les nanotransistors ne fonctionne pas fondamentalement différemment de la microélectronique d'aujourd'hui. Les nanoribbons semi-conducteurs produits par les chercheurs de l'Empa permettraient d'obtenir des transistors d'une section de canal 1 000 fois plus petite qu'aujourd'hui. Cependant, d'autres possibilités peuvent également être présentées, par exemple dans le domaine de la spintronique ou même de l'informatique quantique.

C'est parce que les états quantiques électroniques à certaines transitions de nanoribbons de graphène de différentes largeurs peuvent également porter un moment magnétique. Cela pourrait permettre de traiter l'information non pas en facturant comme c'était le cas auparavant, mais par ce que l'on appelle la rotation - au sens figuré, le "sens de rotation" de l'état. Et le développement pourrait même aller plus loin. "Nous avons observé que les états finaux topologiques se produisent aux extrémités de certaines chaînes quantiques. Cela offre la possibilité de les utiliser comme éléments de ce que l'on appelle les qubits - les états complexes et imbriqués dans un ordinateur quantique ", explique Oliver Gröning.

Ci-dessus : Représentation schématique de la production de nanobandes hybrides utilisant deux molécules précurseurs différentes. La gauche (petite) produit une nanobande lisse de 7 atomes de carbone. Le plus grand produit un segment hexagonal de 7 à 11 atomes de large.

Microscopie à force atomique : Image au microscope à force atomique d'une nanobande de graphène hybride avec 5 segments "diamant" (7-11 segments) au milieu qui se poursuit à gauche et à droite par des 7-nanobandes lisses. La barre noire (échelle) mesure 1 nm de long.

Spectroscopie à effet tunnel: Image spectroscopique des états quantiques localisés (régions lumineuses) aux deux extrémités de la région  en forme de diamant. La section correspond à celle de l'image du microscope à force atomique.

Simulation de la spectroscopie à effet tunnel à grille : prédiction théorique de l’aspect des terminaisons de régions « diamant ».

Aujourd'hui et demain, cependant, aucun ordinateur quantique n'est construit à partir de nanobandes - il y a encore beaucoup de recherche nécessaire, dit Gröning : "La possibilité d'ajuster de manière flexible les propriétés électroniques grâce à la combinaison ciblée d'états quantiques individuels représente un saut majeur pour nous dans la production de nouveaux matériaux pour les transistors ultra-miniaturisés. Le fait que ces matériaux soient stables dans des conditions environnementales joue un rôle important dans le développement des applications futures.

"Cependant, la capacité des chaînes à générer des états quantiques locaux et à les relier entre eux de manière ciblée est également fascinante ", poursuit Gröning. "Il reste à voir si ce potentiel peut être utilisé pour de futurs ordinateurs quantiques. Il ne suffit pas de générer des états topologiques localisés dans les nanobandes - ceux-ci doivent également être couplés à d'autres matériaux tels que les supraconducteurs de telle sorte que les conditions pour les qubits soient effectivement remplies.