« Un rôle central pour le prochain Internet quantique »

Les points quantiques possèdent des propriétés électroniques et optiques fascinantes. Généralement, ils sont composés de plusieurs centaines de milliers d’atomes d’un matériau semi-conducteur et se comportent comme une sorte d’atome géant. Après la production synthétique des premiers points quantiques au début des années 1980, trois scientifiques ont reçu le prix Nobel de chimie en 2023 « pour la découverte et la synthèse des points quantiques ». Dans une interview accordée à World of Physics, Andreas Wieck de l’Université de Bochum explique comment créer des points quantiques et quelles applications techniques ils permettent.

Monde de la physique : que sont exactement les points quantiques ?

Andreas Wieck : Les points quantiques sont de minuscules particules, appelées nanoparticules. Ils ne comportent généralement que quelques à quelques dizaines de couches atomiques dans les trois dimensions. Par exemple, un point quantique plutôt sphérique, composé d’environ 100 couches d’atomes dans les trois directions spatiales, comprend au total environ un million d’atomes. Mais il existe également des points quantiques plats qui mesurent environ 100 atomes de long et de large, mais seulement environ 15 couches atomiques de profondeur. Ces points quantiques ne contiennent que quelques milliers à centaines de milliers d’atomes. Les semi-conducteurs sont utilisés comme matériau car leurs propriétés électroniques sont très bien connues et peuvent être ajustées de manière spécifique.

Quelles propriétés physiques particulières possèdent les points quantiques ?

Les points quantiques sont minuscules et, comme les atomes individuels, ils peuvent très bien interagir avec les champs électromagnétiques. Les points quantiques jouent un rôle central, notamment dans la conversion du courant électrique en lumière et vice versa. Ce qui est passionnant avec les points quantiques, c’est que leurs propriétés physiques peuvent être ajustées très précisément – d’une part par le choix du matériau, mais aussi par la géométrie. Lorsque vous travaillez avec des atomes normaux, vous n’avez que les choix que vous propose le tableau périodique des éléments. Cependant, avec les points quantiques, les fréquences auxquelles le matériau absorbe ou émet un rayonnement électromagnétique peuvent être ajustées avec précision en fonction de sa taille et de sa composition. C’est pourquoi les points quantiques sont également appelés « atomes artificiels ».

Que peuvent faire les atomes artificiels que les atomes normaux ne peuvent pas faire ?

Le problème de nombreuses applications technologiques est que les atomes normaux sont figés dans leurs propriétés physiques. Par exemple, les impulsions infrarouges sont particulièrement nécessaires dans le domaine des télécommunications. A cette longueur d’onde, les câbles à fibres optiques des réseaux de données mondiaux permettent de longues distances de transmission car l’atténuation est alors minime. Cependant, les atomes normaux émettent principalement dans le domaine spectral visible ou ultraviolet. Pour les applications normales de télécommunications, on utilise des matériaux semi-conducteurs appropriés qui émettent simultanément de nombreuses particules lumineuses ou photons dans la plage de longueurs d’onde infrarouges. Le problème est maintenant le suivant : si vous souhaitez produire des photons individuels ou des paires de photons, vous avez besoin d’une source atomique et non d’un matériau semi-conducteur étendu. De telles sources de photons uniques basées sur des points quantiques sont désormais très importantes.

Pourquoi avez-vous besoin de telles sources lumineuses ?

De nombreux projets de recherche en physique quantique travaillent avec des photons individuels. Mais au-delà de la recherche fondamentale, ces sources sont particulièrement importantes pour le traitement de l’information quantique, car de nombreux protocoles de l’Internet quantique ou de l’informatique quantique sont basés sur des photons individuels ou des paires de photons intriqués. C’est pourquoi les points quantiques joueront un rôle central dans le futur Internet quantique.

Comment fabrique-t-on réellement des points quantiques ?

Il existe pour cela plusieurs procédures différentes. Le prix Nobel de chimie a été décerné cette année pour les travaux pionniers de Moungi Bawendi, Louis Brus et Alexei Jekimow, qui ont essentiellement créé des points quantiques à partir d’une solution en utilisant des méthodes issues de la chimie physique. Cela crée principalement des points quantiques sphériques. Les points quantiques peuvent désormais être produits par d’autres moyens. Dans ma chaire ici à l’Université de Bochum, nous les créons en utilisant un processus spécial pour déposer en phase vapeur des atomes d’un autre élément sur un substrat solide sous ultra-vide.

Image au microscope d’un point quantique

Et comment sont créés les points quantiques ?

Des îlots atomiquement petits sont créés parce que, par exemple, nous vaporisons des atomes plus gros, comme l’indium, sur un substrat contenant du gallium. C’est comme disposer des oranges sur une couche ordonnée de mandarines : la première couche d’orange s’adapte à la couche de mandarine en la déformant. Mais toutes les autres oranges se disposent en petits tas sur la première couche orange, qui deviennent alors nos points quantiques. L’astuce consiste à laisser ces îles croître de telle manière qu’elles possèdent les propriétés souhaitées en tant que points quantiques.

Comment déterminer si un point quantique ainsi créé possède les bonnes propriétés ?

Les points quantiques poussent sur le substrat un peu comme des champignons dans la forêt. Certains sont isolés, d’autres en grappes, certains sont légèrement plus grands, certains sont contaminés par des atomes étrangers et sont donc inutilisables. Après le processus de dépôt en phase vapeur, nous scannons le substrat avec un laser, puis examinons spectroscopiquement les points quantiques individuels. De cette façon, vous pouvez vérifier s’ils possèdent les propriétés souhaitées. Cela fonctionne désormais également automatiquement. Nous pouvons alors isoler les meilleurs candidats.

Y a-t-il une forte demande pour les points quantiques ?

De nombreux groupes de travail à travers le monde travaillent avec nos points quantiques de Bochum. C’est pourquoi nous devons répondre à des exigences différentes et créer continuellement de nouveaux types de nanoparticules à partir des matières premières – parfois petites, parfois grandes, parfois plates, parfois structurées. Cependant, nous fournissons principalement des groupes de recherche et ne le faisons pas à des fins commerciales. Cependant, il existe désormais de nombreuses applications commerciales des points quantiques : ils sont même utilisés dans les écrans de téléphones portables. Certains systèmes laser utilisent également des points quantiques – par exemple en dermatologie. Et dans le traitement du cancer, il existe ce qu’on appelle le processus d’hyperthermie, dans lequel des nanoparticules magnétisables sont introduites dans une tumeur puis chauffées par un champ magnétique externe afin d’endommager la tumeur en provoquant pour ainsi dire une fièvre locale artificielle. Ce que beaucoup de gens ignorent, c’est que même le verre des vitraux des vieilles églises contient des nanoparticules qui conservent leurs propriétés optiques au fil des siècles et ne se décolorent pas comme les colorants organiques, même si elles sont exposées quotidiennement au soleil. Les matériaux eux-mêmes ne sont pas si nouveaux.