Comment la spintronique et le graphène alimentent les circuits quantiques de nouvelle génération

Comment la spintronique pourrait révolutionner l'informatique

Progressivement, le monde de l'informatique matérielle commence à s'étendre au-delà des puces de silicium, voire des formes classiques de calcul binaire. En effet, les puces et la mémoire habituelles de nos ordinateurs et centres de données deviennent de plus en plus difficiles à construire, la dernière génération étant équipée de transistors mesurant à peine quelques nanomètres.

Un autre facteur est que la consommation d’énergie devient un problème à mesure que la demande de puissance de calcul, en particulier pour les systèmes d’IA, continue de croître.

De nombreuses solutions sont proposées, l’informatique quantique et la photonique étant les options les plus importantes pour réduire la demande en informatique ou la rendre plus rapide et moins gourmande en énergie.

Une autre méthode est la spintronique, qui utilise le spin des électrons au lieu du courant électrique (flux d’électrons).

Des chercheurs de l'Université de technologie de Delft (Pays-Bas), de l'Institut national des sciences des matériaux de Tsukuba (Japon), de l'Université de Valence (Espagne), de l'Université de Ratisbonne (Allemagne) et de l'Université de Harvard (États-Unis) ont créé un nouveau dispositif spintronique au graphène.

Contrairement à la version précédente de cette technologie, elle ne nécessite pas d'aimants puissants, ce qui la rend bien plus compatible avec d'autres composants électroniques. Les résultats ont été publiés dans Nature Communications.¹, sous le titre "Effet Hall de spin quantique dans le graphène magnétique ».

Le potentiel de la spintronique

Les composants électroniques comme les transistors sont traditionnellement fabriqués en silicium et utilisent des semi-conducteurs. Les signaux 0 et 1 en binaire indiquent le passage ou le blocage d'un courant électrique.

Une autre façon d’effectuer des calculs est d’utiliser des dispositifs spintroniques qui fonctionnent grâce au spin des électrons (une caractéristique quantique fondamentale) plutôt qu’au courant électrique (flux d’électrons).

Source: Insight IAS

La spintronique présente quelques avantages par rapport aux systèmes électroniques classiques, notamment :

• Des données plus rapides, car la rotation peut être modifiée beaucoup plus rapidement.
• Moins de consommation d'énergie, car le spin peut être modifié avec moins de puissance qu'il n'en faut pour maintenir un flux d'électrons afin de créer un courant.
• Des métaux simples peuvent être utilisés à la place de matériaux semi-conducteurs complexes.

La spintronique est déjà utilisée pour les disques durs et a permis d’augmenter la capacité de stockage au cours de la dernière décennie.

« Le spin est une propriété mécanique quantique des électrons, qui ressemble à un minuscule aimant porté par les électrons, pointant vers le haut ou vers le bas.

Nous pouvons exploiter le spin des électrons pour transférer et traiter des informations dans des dispositifs dits spintroniques.

Talieh Ghiasi - Chercheur postdoctoralrat Université de technologie de Delft

Spintronique pour l'informatique quantique

Principaux avantages de la spintronique pour les circuits quantiques

Le spin n’est pas un courant électrique, mais une caractéristique quantique fondamentale des électrons, où l’information quantique est stockée dans l’orientation du spin.

Le principal avantage de la spintronique est qu'elle traite du transport de moments magnétiques plutôt que du transfert d'électrons. Il n'est donc pas nécessaire que la matière se déplace pour transférer l'information.

Et comme il s'agit déjà d'un élément quantique, l'idée de créer un qubit de spin est intrigante. La difficulté, comme souvent avec les systèmes informatiques quantiques, est de préserver cette information pendant des périodes et des distances suffisamment longues.

Et c’est peut-être précisément ce problème que les chercheurs de cette étude ont réussi à résoudre en utilisant du graphène.

Le graphène pour la spintronique

Le graphène est une forme de « matériau miracle » couche de carbone 2D. Il a du potentiel non seulement en informatique, mais aussi en supraconductivité, télécommunication, science des matériaux et catalyse.

Jusqu'à présent, il n'a pas vraiment été utilisé en spintronique, malgré ses remarquables propriétés électriques. En effet, la détection des courants de spin quantiques dans le graphène a toujours nécessité des champs magnétiques importants, pratiquement impossibles à intégrer sur puce.

Les chercheurs ont pu contourner le besoin de champs magnétiques externes en superposant le graphène sur un CrPS₄ (thiophosphate de chrome), un semi-conducteur antiferromagnétique bidimensionnel.

Cette couche magnétique a considérablement modifié les propriétés électroniques du graphène, donnant naissance à l'effet Hall de spin quantique (QSH) dans le graphène.

« Nous avons observé que le transport de spin dans le graphène est modifié par le CrPS4 voisin de telle sorte que le flux d'électrons dans le graphène devient dépendant de la direction de spin des électrons. »

Talieh Ghiasi - Chercheur postdoctoralrat Université de technologie de Delft

L'effet QSH permet aux électrons de se déplacer sans effort le long des bords du graphène sans perturbation, avec tous leurs spins alignés dans la même direction.

« Le fait que nous parvenions désormais à obtenir des courants de spin quantiques sans avoir recours à des champs magnétiques externes ouvre la voie aux applications futures de ces dispositifs spintroniques quantiques. »

Talieh Ghiasi - Chercheur postdoctoralrat Université de technologie de Delft

Perspectives d'avenir pour la spintronique à base de graphène

Parce que les courants de spin quantiques sont « protégés topologiquement », ils peuvent parcourir des distances de plusieurs dizaines de micromètres sans perdre l’information de spin dans le circuit.

Ces courants de spin topologiquement protégés résistent aux désordres et aux défauts, ce qui les rend fiables même dans des conditions imparfaites. Préserver le signal de spin sans perte d'information est essentiel à la construction de circuits spintroniques.

Talieh Ghiasi - Chercheur postdoctoralrat Université de technologie de Delft

Cette découverte ouvre la voie à des circuits spintroniques ultra-minces à base de graphène. Les courants de spin du graphène pourraient assurer un transfert efficace et cohérent de l'information quantique. jusqu'à présent limité à l'utilisation de la lumière pour interconnecter les composants de l'informatique quantique.

Bien qu'il s'agisse encore d'un travail en cours, cette découverte montre clairement que la conception ultime des ordinateurs et des réseaux quantiques reste à déterminer, des matériaux comme le graphène étant susceptibles de jouer un rôle à long terme (en tant que partie plus importante de les semi-conducteurs en graphène comme catégorie de matériaux), ainsi que la spintronique en général.

Investir dans les entreprises de graphène

Groupe de fabrication de graphène (GMG)

GMG est un producteur de graphène qui a concentré son offre de produits sur des produits à base de graphène déjà démontrés comme les revêtements thermiques et les lubrifiants, augmentant l'efficacité des équipements industriels.

Source: GMG

Cela fait de GMG une bonne option pour les investisseurs recherchant une exposition directe au marché du graphène et une entreprise déjà active dans la production de masse de graphène et dans l’amélioration de la méthode de production actuelle.

Si le graphène commence à être utilisé à grande échelle pour d’autres applications comme l’informatique, l’expérience et la capacité de fabrication des entreprises de graphène existantes seront un avantage pour entrer sur ces marchés.

D’autres applications pourraient être la création de semi-conducteurs à base de graphène (voir «Semi-conducteurs en graphène – Sont-ils enfin là ?"), ou même supraconducteurs à température ambiante. Le revêtement en graphène pourrait également être utilisé dans les batteries et dans les technologies de récipients sous pression à hydrogène.

GMG produit son graphène à partir de méthane et d'hydrogène, ce qui le distingue de la plupart de ses concurrents, qui le produisent à partir de gisements de graphite naturel. Cela permet une plus grande pureté, une plus grande évolutivité et une production à faible coût.

Source: GMG

L'entreprise a inauguré sa première usine de production en Australie en 2023, avec une capacité de production annuelle pouvant atteindre 1 million de litres de revêtement pour échangeurs de chaleur. Elle s'étend désormais à 10 millions de tonnes par an.

La prochaine étape pour l'entreprise sera sa technologie de batterie à base d'ions aluminium graphène, sa suspension de graphène servant d'additif pour les cathodes des batteries lithium-ion. À terme, elle pourrait même remplacer complètement les cathodes à base de graphite.

L'entreprise développe des batteries graphène-aluminium-ion utilisant une cathode en graphène, capable d'atteindre une densité énergétique de 290 Wh/kg. Développée en partenariat avec le géant minier Rio Tinto, cette technologie pourrait, dans un premier temps, trouver des applications dans les industries lourdes (comme l'exploitation minière), plutôt que sur le marché des véhicules électriques.

Source: GMG

La feuille de route de développement des batteries prévoit la construction d'usines pilotes en 2025, une décision sur l'investissement dans une usine à l'échelle commerciale en 2026, et sa mise en service éventuelle et sa première expédition aux clients d'ici 2027.

Cette entrée sur le marché des batteries pourrait être un gros pari pour GMG, mais elle lui donne également une opportunité unique sur le marché futur qui pourrait s'ouvrir au graphène, notamment dans le stockage d'énergie et d'autres applications liées à l'énergie.

Étude référencée

^{1. Ghiasi, TS, Petrosyan, D., Ingla-Aynés, J. et al. Effet Hall de spin quantique dans le graphène magnétique. Nature Communications 16, 5336 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1}