Spintronik plus Quantique : le chercheur PSI reçoit un financement important

Giacomo Sala est physicien expérimental au Centre de recherche sur les neutrons et les muons du PSI. Pour son projet Q-GEOMSPIN, il reçoit un financement de l'UE : une bourse de démarrage du Conseil européen de la recherche (ERC). © Paul Scherrer Institut PSI/Markus Fischer

– Le physicien du PSI Giacomo Sala reçoit environ 2,2 millions de CHF du Conseil européen de la recherche (ERC).
– Dans le projet Q-GEOMSPIN, il combine deux domaines de recherche jusqu'ici largement séparés.
– Ces recherches fondamentales pourraient à l'avenir donner naissance à des mémoires de données et des processeurs plus économes en énergie.

Le physicien du PSI Giacomo Sala a obtenu l'une des subventions très convoitées du Conseil européen de la recherche (ERC) – une bourse dite Starting Grant. L'ERC soutient le projet de Sala Q-GEOMSPIN avec 2,3 millions d'euros (environ 2,2 millions de CHF) sur les cinq prochaines années. Étant donné que la Suisse est à nouveau pleinement associée aux programmes de financement de la recherche de l'Union européenne depuis fin 2025, Sala reçoit ce financement directement de l'ERC.

Ce qui est exceptionnel dans l'initiative de Sala, c'est la combinaison de deux domaines de recherche – la spintronique et la géométrie quantique – pour créer un nouveau champ de recherche. Les découvertes qui en découleront pourraient à long terme ouvrir de nouvelles possibilités pour les mémoires de données spintroniques. De plus, elles pourraient aider à exploiter de petites quantités d'énergie et à développer de nouvelles propriétés matérielles.

L'idée de Q-GEOMSPIN est née lors de deux étapes de la carrière scientifique de Sala. Pendant sa thèse à l'ETH Zurich, il a étudié la spintronique et le magnétisme. Plus tard, en tant que post-doctorant à l'Université de Genève, il s'est tourné vers la géométrie quantique. La combinaison de ces deux perspectives l'a amené à se demander si la géométrie quantique pourrait produire des effets spintroniques jusqu'ici négligés. « Autant que je sache, personne n'a encore expérimenté la liaison de ces deux domaines », explique le physicien expérimental du Centre de recherche sur les neutrons et les muons du PSI.

Une zone blanche sur la carte de la spintronique

La spintronique est un domaine scientifique établi depuis trente ans. Son importance a été soulignée par un prix Nobel de physique, décerné en 2007 pour ses recherches. La spintronique exploite le spin – la rotation intrinsèque – des électrons pour stocker des informations.

Ces dernières années, il est toutefois apparu que la spintronique possède encore une zone blanche sur sa carte : des travaux en physique théorique suggèrent que certains phénomènes spintroniques pourraient être prévus, compris et contrôlés grâce à la jeune géométrie quantique. Il s'agit plus précisément d'un sous-domaine de la géométrie quantique : la métrique quantique.

Pour illustrer l'idée de la métrique quantique, Sala utilise une analogie : la gravitation. La force gravitationnelle fait que la Terre tourne autour du Soleil. Selon Albert Einstein, la véritable explication réside dans une courbure de l'espace, causée par la masse du Soleil. « C'est un peu pareil pour les électrons lorsqu'ils se déplacent à travers un solide », explique Sala. En raison de la métrique quantique, l'espace des impulsions se courbe. Les électrons « ressentent » cela et sont déviés en conséquence.

Giacomo Sala pourra, grâce à la subvention récemment accordée, embaucher deux doctorants et une personne au niveau postdoctoral. Avec cette petite équipe, il étudiera notamment des matériaux topologiques dans le cadre de Q-GEOMSPIN. Ce sont des solides où l'intérieur est isolant, mais où la surface conduit l'électricité. Le programme inclut également des composés oxydés et des matériaux bidimensionnels dits de Van der Waals, comme le graphène.

De l'électronique à la géométrie quantique

L'électronique n'utilise que la charge des électrons : le courant circule ou ne circule pas – ce qui donne les zéros et les uns du traitement numérique des données. La mobilité de la charge est donc exploitée.

La spintronique ajoute une deuxième propriété : le spin, le moment angulaire quantique intrinsèque. En termes simples : une orientation des électrons vers le haut ou vers le bas. Cette propriété peut être utilisée pour transmettre des informations.

La géométrie quantique décrit la structure géométrique des fonctions d'onde des électrons dans un solide. Une partie de cette géométrie, la métrique quantique, agit comme une gravitation intégrée au matériau et dévie les électrons. La nouveauté de la métrique quantique est qu'elle devient une variable de contrôle en soi et peut être liée au spin.

Rayonnement synchrotron et nanotechnologie : le PSI offre l'infrastructure nécessaire

Sala et son équipe réaliseront et mesureront des structures de quelques micromètres seulement. Celles-ci seront refroidies près du zéro absolu (−273,15 degrés Celsius). Pour cela, le PSI crée avec les fonds ERC un cryostat particulier : un refroidisseur capable de générer de forts champs magnétiques. Un courant électrique sera envoyé à travers l'échantillon, et la déviation des électrons sera mesurée. Les chercheurs rechercheront particulièrement des effets non linéaires, c'est-à-dire lorsque de petites variations de tension ou de champ magnétique entraînent de grands changements dans la mesure. Ces écarts pourraient révéler des indices sur la géométrie quantique.

Le fait que Sala ait choisi le PSI pour son projet est lié à l'orientation stratégique de la recherche et à l'infrastructure unique du centre. Au nouveau « Quantum Matter and Materials Center » (QMMC) du PSI, le travail de différents groupes de recherche en matière de physique quantique et de matériaux se rassemble. Q-GEOMSPIN s'intègre parfaitement dans ce nouveau point de convergence de la recherche en quantique.

Le PSI offre également toutes les installations nécessaires à Sala et son équipe pour fabriquer et caractériser des matériaux, réaliser des microcomposants et effectuer des mesures à basse température. Parmi celles-ci, la source de lumière synchrotron SLS et le nouveau « PICO », une salle blanche du PSI gérée par le groupe de nanotechnologie, idéale pour la fabrication de ces minuscules composants. La source suisse de neutrons de spallation SINQ pourrait également offrir des opportunités intéressantes pour leur recherche.

Q-GEOMSPIN pourrait enfin apporter un grand progrès à la spintronique. À l'exception de la gigantesque résistance magnetorésistive, découverte dans les années 1980 et qui a rapidement multiplié la densité de stockage des disques durs, les applications commerciales restent rares. La liste de souhaits inclut désormais des mémoires spintroniques plus performantes (MRAM) ou des processeurs informatiques inspirés du cerveau. Des idées exotiques, comme la collecte d'énergie à partir d'ondes Wi-Fi inutilisées, sont également discutées. Giacomo Sala reste réaliste : « Q-GEOMSPIN est de la recherche fondamentale pure. Mais c'est essentiel pour développer des applications par la suite. »