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

Comment la spintronique pourrait révolutionner l’informatique

Progressivement, le monde du matériel informatique commence à envisager des alternatives aux puces en silicium, voire aux formes classiques de calcul binaire. Cela s’explique par le fait que les puces et la mémoire habituelles de nos ordinateurs et centres de données deviennent de plus en plus difficiles à fabriquer, la génération la plus récente ayant des transistors de seulement quelques nanomètres.

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

De nombreuses solutions sont proposées, la informatique quantique et la photonique étant les options les plus en vue pour réduire la demande de calcul ou pour la rendre plus rapide et moins énergivore.

Une autre 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 Harvard (États‑Unis) ont créé un nouveau dispositif spintronique à base de graphène.

Contrairement à la version précédente de cette technologie, il ne nécessite pas d’aimants puissants, ce qui le rend beaucoup plus compatible avec d’autres composants électroniques. Ils ont publié leurs résultats dans Nature Communications¹, sous le titre « Quantum spin Hall effect in magnetic graphene ».

Le potentiel de la spintronique

Les composants électroniques tels que les transistors sont traditionnellement fabriqués en silicium et reposent sur des semi‑conducteurs. Les signaux 0 et 1 en binaire indiquent le passage ou le blocage d’un courant électrique.

Une façon alternative d’effectuer des calculs consiste à 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 le spin peut être modifié beaucoup plus rapidement.
• Une consommation d’énergie moindre, car le spin peut être modifié avec moins de puissance que nécessaire 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 à la capacité de stockage de croître au cours de la dernière décennie.

“Le spin est une propriété quantique des électrons, comparable à un petit aimant porté par les électrons, pointant vers le haut ou le bas.

Nous pouvons exploiter le spin des électrons pour transférer et traiter l’information dans les dispositifs dits spintroniques.

Talieh Ghiasi – Chercheur postdoctoral à l’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 le transport de moments magnétiques plutôt que le transfert d’électrons. Ainsi, il n’est 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. Le problème, comme c’est souvent le cas avec les systèmes d’informatique quantique, est de préserver cette information pendant des périodes et des distances suffisamment longues.

Et cela pourrait être exactement ce que les chercheurs de cette étude ont découvert comment résoudre, en utilisant le graphène.

Graphène pour la spintronique

Le graphène est un « matériau miracle », forme d’une couche 2D de carbone. Il a un potentiel non seulement en informatique, mais aussi en supraconductivité, télécommunications, sciences des matériaux, et catalyse.

Il n’a jusqu’à présent pas vraiment été utilisé pour la spintronique, malgré ses remarquables propriétés électriques. La raison est que la détection des courants de spin quantiques dans le graphène a toujours nécessité de forts champs magnétiques, pratiquement impossibles à intégrer sur puce.

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

Cette couche magnétique a modifié de façon significative les propriétés électroniques du graphène, donnant lieu à l’effet quantum spin Hall (QSH) dans le graphène.

“Nous avons observé que le transport du spin dans le graphène est modifié par le CrPS4 voisin, de sorte que le flux d’électrons dans le graphène devient dépendant de la direction du spin des électrons.”

Talieh Ghiasi – Chercheur postdoctoral à l’Université de technologie de Delft

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

“Le fait que nous parvenions désormais à obtenir des courants de spin quantiques sans besoin de champs magnétiques externes ouvre la voie aux futures applications de ces dispositifs spintroniques quantiques.”

Talieh Ghiasi – Chercheur postdoctoral à l’Université de technologie de Delft
https://www.youtube.com/watch?v=J5NLysqf184

Perspectives futures pour la spintronique à base de graphène

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

“Ces courants de spin protégés topologiquement sont robustes face aux désordres et aux défauts, les rendant fiables même dans des conditions imparfaites. Préserver le signal de spin sans aucune perte d’information est essentiel pour construire des circuits spintroniques.”

Talieh Ghiasi – Chercheur postdoctoral à l’Université de technologie de Delft

Cette découverte ouvre la voie à des circuits spintroniques ultra‑minces à base de graphène. Les courants de spin dans le graphène pourraient créer un transfert efficace et cohérent d’information quantique, jusqu’à présent limité à l’utilisation de la lumière pour interconnecter les composants d’informatique quantique.

Ainsi, bien que ce soit encore en cours de développement, cette découverte montre clairement que la conception ultime des ordinateurs quantiques et des réseaux quantiques reste à déterminer, les matériaux comme le graphène étant susceptibles de jouer un rôle à long terme (en tant que partie importante des semi‑conducteurs à base de graphène en tant que catégorie de matériaux), tout comme 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, tels que les revêtements thermiques et les lubrifiants, augmentant l’efficacité des équipements industriels.

Source: GMG

Cela fait de GMG une bonne option pour les investisseurs cherchant une exposition directe au marché du graphène et une entreprise déjà active dans la production de masse de graphène et 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 constitueront un avantage pour pénétrer ces marchés.

D’autres applications possibles pourraient être la création de semi‑conducteurs à base de graphène (voir « Graphene Semiconductors – Are They Finally Here? »), ou même les superconducteurs à température ambiante. Le revêtement de graphène pourrait également être utilisé dans les batteries et pour les technologies de réservoirs à hydrogène.

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

Source: GMG

L’entreprise a lancé sa première installation de production en Australie en 2023, avec une capacité allant jusqu’à 1 million de litres de revêtement d’échangeur de chaleur par an. Elle s’étend maintenant pour produire 10 millions de tonnes par an.

La prochaine étape pour l’entreprise sera sa technologie de batterie basée sur l’ion aluminium‑graphène, avec sa bouillie de graphène servant d’additif aux cathodes des batteries lithium‑ion. À long terme, elle pourrait même remplacer complètement les cathodes à base de graphite.

L’entreprise développe ces batteries à ion aluminium‑graphène en utilisant une cathode en graphène, pouvant atteindre une densité énergétique de 290 Wh/kg. Ce projet est développé en partenariat avec le géant minier Rio Tinto (RIO ), et pourrait d’abord 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 du développement de la batterie prévoit la construction d’installations pilotes en 2025, une décision d’investissement dans une usine à l’échelle commerciale en 2026, et sa mise en service ainsi que la première expédition aux clients d’ici 2027.

Cette entrée sur le marché des batteries pourrait représenter un pari important pour GMG, mais elle lui offre également une opportunité unique sur le futur marché qui pourrait s’ouvrir au graphène, y compris dans le stockage d’énergie et d’autres applications liées à l’énergie.

Étude référencée

^{1. Ghiasi, T.S., Petrosyan, D., Ingla-Aynés, J. et al. Quantum spin Hall effect in magnetic graphene. Nature Communications 16, 5336 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1}