Une équipe de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) a mis au point une nouvelle technique permettant de réarranger rapidement des dizaines de milliers d’atomes à l’intérieur d’un matériau à température ambiante, dépassant ainsi la limite qui cantonnait la manipulation atomique à la surface des matériaux depuis plus de trente ans. Ce résultat vient d’être publié dans la revue Nature, ouvrant une voie entièrement nouvelle pour la conception de matériaux quantiques sur mesure.
Cette technique permet pour la première fois de déplacer avec précision des dizaines de milliers d’atomes dans un espace tridimensionnel, sans nécessiter de vide extrême ni de températures cryogéniques. L’équipe de recherche a utilisé un microscope électronique à haute énergie, couplé à un algorithme de précision développé en interne, pour contrôler la trajectoire du faisceau d’électrons avec une précision picométrique, construisant ainsi plus de 40 000 structures de défauts artificiels à l’intérieur du cristal, à la manière d’une « photocopieuse atomique ». L’expérience a utilisé un semi-conducteur lamellaire, le sulfure de chrome et de brome, comme support, et a induit le déplacement de colonnes atomiques par oscillation du faisceau d’électrons, formant des réseaux de lacunes ordonnées aux propriétés quantiques particulières.
Comparée aux techniques traditionnelles de manipulation atomique de surface, la nouvelle méthode réalise trois avancées majeures : la dimension opératoire passe de la 2D à la 3D, l’adaptabilité environnementale s’étend des températures cryogéniques à la température ambiante, et l’efficacité de traitement est améliorée de plusieurs ordres de grandeur. L’exploit réalisé en 1989 par des scientifiques d’IBM, qui avaient mis plusieurs jours à agencer des atomes pour écrire « IBM », peut désormais être accompli à plus grande échelle en quelques dizaines de minutes seulement. Plus important encore, les structures atomiques enfouies à l’intérieur du matériau évitent les problèmes d’oxydation et de contamination de surface, jetant ainsi les bases de dispositifs quantiques pratiques.
L’équipe de recherche a résolu les défis techniques clés grâce à l’optimisation algorithmique. Le système de positionnement du faisceau d’électrons peut suivre la position des atomes en temps réel avec une dose d’électrons très faible, permettant une manipulation dynamique tout en évitant d’endommager le cristal. Ce « scalpel atomique » peut contrôler avec précision l’espacement des défauts et leur configuration spatiale, et peut théoriquement simuler les modes d’interaction électronique de molécules complexes. Cette capacité rend possible l’« écriture » d’états quantiques conçus artificiellement dans des matériaux solides.
Les expériences préliminaires ont déjà démontré l’immense potentiel de cette technique. Dans des arrangements spécifiques, les défauts artificiels présentent des propriétés magnétiques et optiques uniques, des états de la matière inexistants dans la nature qui pourraient être utilisés pour développer de nouveaux capteurs, des mémoires à haute densité et des composants pour l’informatique quantique. Comme les structures de défauts sont encapsulées à l’intérieur du cristal, leur stabilité dépasse de loin celle des structures de surface, ce qui les rend plus adaptées aux scénarios d’application réels.
L’équipe s’efforce actuellement d’élargir la gamme de matériaux applicables et explore, au-delà des semi-conducteurs à base de chrome, la possibilité de manipuler les atomes dans d’autres matériaux lamellaires. Cette technologie fournit non seulement un nouvel outil pour la recherche sur les propriétés quantiques, mais inaugure également un nouveau mode de « fabrication à l’échelle atomique » — en réécrivant directement l’arrangement atomique interne d’un matériau pour personnaliser ses propriétés physiques, ce qui pourrait déclencher une révolution dans les technologies de l’information de prochaine génération.
Le « scalpel atomique » entre les mains des scientifiques vient de connaître une mise à niveau technique majeure. Auparavant, pour ajuster l’arrangement des atomes à l’intérieur d’un matériau, il fallait souvent recourir à des moyens coercitifs « de l’extérieur vers l’intérieur » comme les hautes températures ou les hautes pressions. Désormais, la nouvelle technique du « scalpel atomique » permet de modifier directement la disposition atomique « de l’intérieur vers l’extérieur », de manière plus efficace et à température ambiante, permettant ainsi de contrôler les performances du matériau. Cela signifie que les scientifiques peuvent contrôler avec précision la structure interne et les défauts d’un matériau, et même y « inscrire » une fonction spécifique. Cela ouvre une porte entièrement nouvelle à la conception de matériaux inédits sur demande et devrait fournir un soutien important aux futures percées dans les technologies de l’information.