Empa Young Scientist Fellowship : Calculer les effets quantiques dans les molécules à base de carbone
Dübendorf, 11.12.2025 — Dans la science moderne des matériaux, les expériences en laboratoire et la modélisation mathématique sur ordinateur vont de pair. Cependant, les modèles existants atteignent leurs limites lorsqu'il s'agit de nouveaux matériaux quantiques tels que les nanographènes bidimensionnels. Goncalo Catarina, chercheur à l'Empa, souhaite développer un modèle fiable pour ces molécules quantiques. Il a obtenu pour cela une bourse « Empa Young Scientist Fellowship » d'une durée de deux ans.
Une molécule de nanographène semble assez simple : une structure bidimensionnelle composée d'une poignée d'atomes de carbone disposés en anneaux réguliers. Mais c'est précisément cette structure simple qui confère aux nanographènes des propriétés particulières. Les chercheurs de l'Empa du laboratoire « nanotech@surfaces » parviennent par exemple à obtenir des effets quantiques à partir de ces molécules plates. Un jour, elles pourraient être utilisées dans des composants électroniques avancés tels que des capteurs, des technologies de communication ou des composants pour ordinateurs quantiques. C'est également l'objectif du projet de recherche « CarboQuant », mené par les chercheurs de l'Empa avec le soutien de la Fondation Werner Siemens et du Fonds national suisse (FNS).
Cette technologie présente un grand potentiel, mais elle n'en est encore qu'à ses débuts. Pour pouvoir exploiter les effets quantiques, il faut d'abord les comprendre précisément. Pour ce faire, les chercheurs combinent des expériences ciblées avec des modèles théoriques et des simulations. Mais si le nanographène semble simple, sa modélisation ne l'est pas. « Les modèles standard utilisés pour simuler la plupart des matériaux ne fonctionnent pas pour ces matériaux quantiques », explique Goncalo Catarina du laboratoire « nanotech@surfaces ». Le jeune chercheur souhaite développer de meilleurs modèles spécifiques aux systèmes de nanographènes. Il a obtenu une bourse « Empa Young Scientist Fellowship » de deux ans pour son projet de recherche.
Les nouveaux matériaux nécessitent de nouvelles méthodes
Le point faible de la modélisation traditionnelle réside dans les hypothèses que le modèle doit formuler. « Les modèles sont toujours simplifiés et utilisent des approximations, sinon notre puissance de calcul serait insuffisante », explique Goncalo Catarina. Les nanographènes présentant des propriétés physiques si différentes de celles de la plupart des autres matériaux que les méthodes de calcul conventionnelles échouent.
Goncalo Catarina, qui a déjà travaillé sur la modélisation des systèmes de graphène pendant son doctorat, souhaite baser son modèle sur d'autres méthodes mathématiques qui tiennent compte des particularités des minuscules structures quantiques. Le jeune chercheur utilise déjà son approche pour expliquer les résultats expérimentaux de ses collègues du laboratoire « nanotech@surfaces ». Selon l'expérience, il doit toutefois faire différentes hypothèses dans le modèle afin d'obtenir les résultats souhaités.
Dans le cadre de sa bourse, Goncalo Catarina souhaite lever cette incertitude. « Mon objectif est de développer un modèle-cadre permettant de calculer et même de prédire de manière systématique et cohérente les systèmes de nanographènes », explique-t-il. Le chercheur parle d'un calcul « ab initio », qui repose uniquement sur les lois physiques fondamentales et renonce à tout paramètre supplémentaire. Il souhaite valider son modèle à l'aide d'expériences.
Goncalo Catarina n'en est encore qu'au tout début de son projet de deux ans. « Beaucoup de choses peuvent mal tourner », admet-il. « Les systèmes quantiques sont difficiles à prédire. » Mais c'est précisément ce défi qu'il apprécie dans son domaine. « Dans le pire des cas, j'apprendrai beaucoup et je partagerai mes résultats avec la communauté », dit-il. Dans le meilleur des cas ? « Un modèle théorique fonctionnel, capable de faire des prédictions, pourrait ouvrir la voie à des applications concrètes pour les nanographènes. »
Promotion des talents à l'Empa
L'« Empa Young Scientist Fellowship » est un instrument de promotion destiné aux jeunes scientifiques exceptionnellement doués. Les talents sélectionnés reçoivent les moyens financiers nécessaires pour mener à bien un projet de recherche indépendant pendant deux ans. Les bourses sont attribuées dans le cadre d'un concours afin de sélectionner les projets présentant le plus grand potentiel.
Informations
Dr. Goncalo Catarina
nanotech@surfaces
Tél. +41 58 765 43 43
goncalo.catarina@empa.ch