Spintronique et quantas: un chercheur du PSI se voit décerner une subvention prestigieuse

Giacomo Sala, physicien au PSI, s’est vu décerner un Starting Grant, l’une des subventions très convoitées du Centre européen de la recherche (CER ou European Research Council ERC). L’ERC soutient son projet Q-GEOMSPIN avec un montant de 2,3 millions d’euros (environ 2,2 millions de francs suisses) répartis sur les cinq prochaines années. Comme la Suisse est de nouveau pleinement associée aux programmes d’encouragement de l’Union européenne depuis fin 2025, Giacomo Sala reçoit ce financement directement de l’ERC.

Ce qui rend l’initiative de Giacomo Sala exceptionnelle est qu’elle combine deux domaines de recherche – la spintronique et la géométrie quantique – pour les fondre en un seul champ d’étude. A long terme, les découvertes qui en résulteront pourraient ouvrir de nouvelles possibilités pour des systèmes de stockage de données spintroniques. Elles pourraient également contribuer à produire de petites quantités d’énergie et à développer de nouvelles propriétés des matériaux.

L’idée du projet Q-GEOMSPIN est née au cours de deux étapes de la carrière scientifique de Giacomo Sala. Pendant son doctorat à l’ETH Zurich, ses recherches portaient sur la spintronique et le magnétisme. Puis, par la suite, en tant que postdoc à l’Université de Genève, il s’est tourné vers la géométrie quantique. Faire le lien entre ces deux perspectives l’a amené à se poser la question suivante: et si la géométrie quantique produisait des effets spintroniques passés inaperçus jusqu’ici? «A ma connaissance, personne à ce jour n’a relié ces deux champs», explique le chercheur, aujourd’hui physicien expérimental au Centre de recherche avec neutrons et muons du PSI.

Une territoire inexploré sur la carte de la spintronique

La spintronique est un domaine scientifique établi depuis 30 ans. Le fait de se voir attribuer le prix Nobel de physique en 2007 pour certains travaux de recherche a souligné son importance. La spintronique exploite le spin – ou la rotation propre – des électrons pour enregistrer des informations.

Mais ces dernières années, il s’est avéré qu’il existait encore un territoire inexploré sur la carte de la spintronique: des travaux de physique théorique indiquent que certains phénomènes de spintronique peuvent être prédits, compris et contrôlés par la métrique quantique qui, elle, relève de la géométrie quantique.

Pour illustrer le concept de métrique quantique, Giacomo Sala recourt à une analogie: la gravitation. La force gravitationnelle fait que la Terre tourne autour du soleil. Mais d’après Albert Einstein, l’explication correcte réside dans une courbure de l’espace due à la masse du soleil. «Pour les électrons, le même principe s’applique lorsqu’ils se déplacent à travers un solide», explique Giacomo Sala. En raison de la métrique quantique, l’espace d’impulsion se courbe. Les électrons le «ressentent» et sont déviés en conséquence.

Grâce aux fonds qui lui ont été attribués, Giacomo Sala pourra engager deux doctorants et un postdoc. Avec cette petite équipe, il étudiera notamment des matériaux topologiques dans le cadre de Q-GEOMSPIN. Les matériaux topologiques sont des solides isolants à l’intérieur et qui conduisent le courant électrique en surface. Des composés oxydés et des matériaux bidimensionnels dits de Van der Waals, comme le graphène, sont également au programme.

Lumière synchrotron et nanotechnologie: le PSI offre l’infrastructure nécessaire

Giacomo Sala et son équipe fabriqueront et mesureront des structures de quelques micromètres seulement en les refroidissant à des températures proches du zéro absolu (moins 273,15 degrés Celsius). Avec les fonds de l’ERC, le PSI va acquérir un cryostat bien particulier: un appareil de refroidissement qui génère également de puissants champs magnétiques. Les scientifiques y mesureront un courant électrique envoyé à travers des échantillons et la déviation des électrons. Ce faisant, ils chercheront spécifiquement des effets non linéaires, autrement dit des cas où de faibles variations de la tension ou du champ magnétique entraînent des changements importants au niveau de la mesure. Dans ces écarts, ils s’attendent à trouver des indices sur la géométrie quantique.

Si Giacomo Sala est venu au PSI pour son projet, c’est en raison de l’orientation de recherche stratégique de l’institut et de son infrastructure unique. Au nouveau Quantum Matter and Materials Centre (abrégé QMMC) du PSI, les travaux de différents groupes de recherche du PSI se retrouvent dans le domaine de la matière et des matériaux quantiques. Q-GEOMSPIN s’intègre parfaitement dans ce nouveau carrefour de la recherche quantique.

Le PSI offre toutes les installations dont Giacomo Sala et son équipe auront besoin pour produire et caractériser des matériaux, fabriquer des microcomposants et effectuer des mesures à basses températures. L’équipe utilisera notamment la Source de Lumière Suisse SLS, mais aussi PICO, la nouvelle salle blanche du PSI, dont le groupe de recherche Nanotechnologie est responsable et qui se prête parfaitement à la fabrication des minuscules composants. La Source de Neutrons de Spallation Suisse SINQ du PSI offre également des possibilités intéressantes pour leurs recherches.Le PSI offre toutes les installations dont Giacomo Sala et son équipe auront besoin pour produire et caractériser des matériaux, fabriquer des microcomposants et effectuer des mesures à basses températures. L’équipe utilisera notamment la Source de Lumière Suisse SLS, mais aussi PICO, la nouvelle salle blanche du PSI, dont le groupe de recherche Nanotechnologie est responsable et qui se prête parfaitement à la fabrication des minuscules composants. La Source de Neutrons de Spallation Suisse SINQ du PSI offre également des possibilités intéressantes pour leurs recherches.

Q-GEOMSPIN pourrait amener la spintronique à réaliser enfin une grande percée. A l’exception de la magnétorésistance géante, découverte dans les années 1980 et qui a rapidement multiplié la densité de stockage des disques durs d’ordinateurs, les applications commerciales restent rares à ce jour. Sur la liste des objectifs que l’on souhaite atteindre figurent aujourd’hui des mémoires spintroniques plus performante (MRAM), ou encore des processeurs d’ordinateurs dont le travail s’inspire du fonctionnement du cerveau. Des idées exotiques sont également discutées, à l’instar de la récupération d’énergie à partir d’ondes radio Wi-Fi inutilisées. Giacomo Sala reste réaliste: «Q-GEOMSPIN relève de la recherche fondamentale pure, rappelle-t-il. Mais elle est essentielle si l’on veut qu’elle serve de point de départ au développement d’applications.»

Texte: Bernd Müller

À propos du PSI

L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur des technologies d'avenir, énergie et climat, innovation santé ainsi que fondements de la nature. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2300 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 450 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l'Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage).

Contact

Dr Giacomo Sala
PSI Center for Neutron and Muon Sciences
Institut Paul Scherrer PSI
+41 56 310 48 70
giacomo.sala@psi.ch
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