Giacomo Sala combine deux univers physiques qui évoluaient jusqu’ici de manière distincte: la spintronique, bien établie, et la géométrie quantique, encore récente. Son projet Q-GEOMSPIN à l’Institut Paul Scherrer PSI pourrait ouvrir la voie à des systèmes de stockage de données plus efficaces. Ce chercheur vient de se voir attribuer un montant d’environ 2,2 millions de francs suisses par le Conseil européen de la recherche (CER ou European Research Concil ERC).

• Giacomo Sala, physicien au PSI, vient de se voir attribuer un montant d’environ 2,2 millions de francs suisses par le Conseil européen de la recherche (CER ou European Research Concil ERC).
• Son projet Q-GEOMSPIN réunit deux domaines de recherche qui, jusqu’ici, étaient le plus souvent étudiés séparément.
• A l’avenir, ces travaux de recherche fondamentale pourraient déboucher sur des systèmes de stockage de données et des processeurs plus efficaces sur le plan énergétique.

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. 

L’électronique utilise uniquement la charge des électrons: le courant s’écoule ou ne s’écoule pas. C’est de ce principe que résultent les zéros et les uns du traitement numérique des données. On exploite donc le mouvement de la charge.

La spintronique ajoute une autre propriété: le spin (rotation propre en mécanique quantique) ou, pour dire les choses simplement, l’orientation des électrons vers le haut ou vers le bas. Cette propriété peut être exploitée pour transmettre des informations.

La géométrie quantique décrit la structure géométrique des fonctions d’onde des électrons dans les solides. L’un de ses composants, la métrique quantique, agit comme une force gravitationnelle incorporée au matériau et dévie les électrons. La nouveauté de la métrique quantique réside dans le fait que cette géométrie devient elle-même une grandeur de contrôle et peut être associée au spin.

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.  

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.» 

L'Institut Paul Scherrer PSI est le plus grand institut de recherche en sciences naturelles et en sciences de l’ingénierie de Suisse. Ici sont réunies les grandes installations de recherche suisses, disponibles à la communauté scientifique et à l'industrie. Les propres recherches du PSI portent dans les domaines suivants: Technologies d’avenir, Energie et climat, Innovation santé et Fondements de la nature. Le budget annuel s'élève à 450 millions de francs suisses. Le PSI emploie 2300 personnes, dont environ un quart sont des post-doctorants, des doctorants ou des apprentis. Le PSI fait partie du domaine des EPF, qui comprend également l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, ainsi que les autres instituts de recherche fédéraux Empa, Eawag et WSL. (Mise à jour: 06/2026)