«Les chaînes moléculaires pourraient être intéressantes pour l’électronique du futur»

Christian Wäckerlin, quel est cet appareil à vos côtés?

C’est un «scanning probe microscope» ou «microscope à sonde locale» en français. Il nous fournit des images en haute résolution d’un échantillon, en balayant la surface avec une pointe extrêmement fine, ligne par ligne. Ce faisant, il décèle les plus petites différences de hauteur. Ce type de microscope permet depuis une dizaine d’années de visualiser des molécules posées sur une surface par ailleurs lisse de manière si précise que l’on peut identifier la position de chaque atome. On peut donc regarder la chimie en direct. C’est fascinant. A présent, nous utilisons notre microscope à sonde locale pour scruter ce qu’on appelle des chaînes moléculaires et, ce faisant, mesurer leurs propriétés électroniques.

Ces chaînes moléculaires, qu’est-ce que c’est?

Il s’agit en fait de très longues molécules dans lesquelles un certain arrangement d’atomes se répète constamment, un peu comme des perles qui forment un collier. Nos chaînes moléculaires sont métallo-organiques. Cela signifie que l’unité qui se répète est composée d’atomes de métal et d’atomes de carbone. Nous sommes l’un des groupes les plus avancés au monde dans la fabrication de ces chaînes moléculaires.

Et vous venez d’obtenir un subside Eccellenza pour étudier ces chaînes moléculaires. Qu’espère-t-on de ces travaux?

Ce subside nous offre la possibilité de faire de la recherche de manière tout à fait ouverte. Nous voulons caractériser ces chaînes moléculaires, ces nanofils, si possible jusqu’au dernier atome. Nous pouvons d’un côté reproduire les chaînes sur la surface. Mais nous pouvons aussi soulever l’une de leurs extrémités avec la pointe. Il y a alors une chaîne courte, de peut-être 50 nanomètres, suspendue à la pointe et qui touche la surface avec son extrémité inférieure. Si nous apposons finalement une tension électrique, nous voyons si la chaîne moléculaire est conductrice d’électricité ou si elle est isolante. Ce sont des analyses fondamentales qui ont été conduites et élucidées depuis longtemps avec de grands objets, mais qui restent à faire dans le nanomonde. On peut par exemple étudier de manière bien séparée les propriétés électriques et magnétiques des fils de cuivre et des aimants que nous connaissons du quotidien. En revanche, lorsqu’on descend au niveau des atomes pris individuellement, tout est étroitement imbriqué et s’influence mutuellement.

Il s’agit donc de recherche fondamentale pure?

Oui, d’un côté. Mais de l’autre, nous faisons tout cela en ayant toujours en tête la question de savoir si ces chaînes moléculaires peuvent potentiellement jouer un rôle dans une future électronique novatrice. Ce qu’il y a de bien, c’est qu’aujourd’hui, nous maîtrisons vraiment bien la chimie pour fabriquer ces chaînes. Comme avec des Lego, nous sommes en mesure d’aligner les éléments et de prédire à quoi cette chaîne finira par ressembler. Nous pouvons utiliser différents atomes métalliques: du cobalt, du nickel, du fer et ainsi de suite. Nous pouvons contrôler le nombre d’atomes métalliques qui se trouvent dans les «perles» de la chaîne, puis mesurer les impacts que cet agencement a sur les propriétés de la chaîne.

Comment passe-t-on des nanochaînes à l’électronique?

La question qui se pose actuellement est celle de savoir si l’électronique du futur restera forcément basée sur le silicium. Il y a deux grandes tendances dans ce domaine: la première est l’informatique quantique, qui représente également une thématique de recherche au PSI, et l’autre est la recherche des formes de calcul plus efficace sur le plan énergétique. Dans ce dernier cas, on cherche de nouveaux matériaux ou de nouveaux systèmes de traitement de l’information. De ce point de vue, nos chaînes moléculaires pourraient s’avérer intéressantes.

Dernièrement, j’ai passé un an à Prague, où j’ai découvert de nouvelles techniques expérimentales de microscopie à sonde locale. C’est là que nous avons mené nos premières recherches sur les chaînes moléculaires et que nous avons pu voir qu’elles étaient d’abord conductrices d’électricité. Mais lorsqu’on les éclairait avec de la lumière, elles revenaient toujours à un état isolant. Si l’on peut activer et désactiver le transport électrique par la lumière, on a une base pour ce qu’on appelle des éléments optoélectroniques. L’un de nos objectifs, maintenant, est de tirer au clair si des couleurs de lumière différentes pourraient avoir des influences différentes. Et aussi à quelle vitesse cette commutation se produit dans les chaînes moléculaires. A Prague, nous ne disposions pas des conditions adéquates pour le faire. Le PSI, en revanche, est parfaitement équipé pour les mesures à résolution temporelle, tant à la Source de Lumière Suisse SLS qu’au laser à rayons X à électrons libres suisse SwissFEL. Nous nous réjouissons donc de pouvoir nous pencher ici sur cette question.

Qui est-ce, «nous»?

Le subside Eccellenza ne finance pas uniquement mon poste, qui d’ailleurs se répartit entre l’EPFL et le PSI, mais m’a également permis d’engager trois doctorants. J’ai réussi à composer une bonne équipe: l’un d’eux est doctorant en chimie et souhaite à présent faire de la recherche sur les surfaces. Le second est physicien ayant une affinité pour l'informatique. Et la troisième doctorante est également chimiste, à l’origine, mais axée sur le magnétisme, si bien qu’elle est à l’aise aussi bien en physique qu’en chimie. Et quant à moi, je suis un peu rien du tout (il rit).

Là, je ne vous crois pas.

A la base, j’ai fait des études de nanosciences, à Bâle, ce qui incluait de la physique, de la chimie et aussi de la biologie. Dans le nanomonde, en effet, il est souvent utile de ne pas considérer ces domaines comme disjoints.

J’ai ensuite fait mon travail de master et ma thèse de doctorat au PSI, où j’ai découvert les molécules sur les surface. A l’époque, nous avions déjà commencé, comme petit projet latéral, à fabriquer des nanosystèmes métallo-organiques par voie chimique. Nous étions l’un des premiers groupes à le faire, à une époque qui était pour ainsi dire l’âge de pierre dans ce domaine de recherche.

Ensuite, je suis allé à l’EPFL où nous avons étudié le magnétisme de systèmes métallo-organiques et nous nous sommes penchés sur cette question: un atome individuel pourrait-il être un bit de stockage magnétique stable? Nous avons montré que cela fonctionnait sur le principe, mais uniquement à des températures extrêmement basses.

Puis je suis allé à l’Empa qui, comme l’EPFL, est une institution sœur du PSI au sein du Domaine des EPF. A l’Empa, nous nous sommes penchés sur la synthèse chimique de nanomatériaux organiques et anorganiques sur les surfaces. Et pour finir, il y a eu l’année que j’ai passée à Prague.

Autrement dit, vous avez beaucoup de compétences.

Oui, je dispose pour ainsi dire de toutes les pièces du puzzle, à présent, pour pouvoir aborder ce projet de cinq ans. Ce que je voulais dire, c’est que les trois doctorants que j’ai trouvés ont chacun un arrière-plan différent du mien et envisagent donc les choses d’un autre point de vue. C’est précisément ce que je voulais et je me réjouis donc beaucoup de cette collaboration.

Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann