Mieux identifier les défauts atomiques dans les cristaux grâce au calcul quantique
Grâce à un nouvel outil de calcul open source, des scientifiques ont réussi à faciliter l’identification des défauts atomiques dans les matériaux. Publiés dans npj Computational Materials, ces travaux représentent un enjeu clé dans le développement des dispositifs pour la microélectronique et les technologies quantiques.
Dans un cristal, des imperfections microscopiques — appelées défauts ponctuels — jouent pourtant un rôle décisif dans les performances des composants électroniques et des futurs dispositifs quantiques. Les identifier avec précision est un enjeu majeur pour la microélectronique et les technologies quantiques émergentes, où un seul atome mal placé peut tout changer.
La résonance paramagnétique électronique (EPR) est l'une des techniques les plus puissantes pour lire l'empreinte magnétique de ces défauts. Parmi les grandeurs qu'elle mesure, le tenseur g est particulièrement informatif : c'est en quelque sorte la carte d'identité magnétique d'un défaut, qui reflète sa symétrie, sa structure électronique et son environnement local. Mais pour exploiter pleinement cette information, il faut pouvoir la calculer à partir des lois de la physique quantique.
Les méthodes de calcul existantes souffraient de deux limitations. D'un côté, elles devenaient numériquement instables dès que les simulations atteignaient la taille nécessaire pour décrire correctement un défaut réel dans un cristal. De l'autre, les codes disponibles étaient obsolètes et mal intégrés aux environnements de calcul modernes — rendant leur utilisation difficile, voire impossible, pour la majorité des chercheurs.
Ces recherches ont été menées par :
- Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS-CNRS)
- Istituto Officina dei Materiali de Trieste (Italie)
Une équipe de scientifiques a réussi à lever ce double verrou de façon concrète et durable, à travers le développement de QE-CONVERSE — un code de calcul entièrement repensé et en accès libre. Construit sur des bases solides et intégré à Quantum ESPRESSO – un logiciel open source de calcul quantique des matériaux utilisée par la communauté internationale, QE-CONVERSE est un outil à la fois robuste, rapide et accessible apportant la capacité de calculer le tenseur g de défauts réels — dans des supercellules atteignant le millier d’atomes — avec une précision et une stabilité jusqu'ici inaccessibles, et à un coût computationnel compatible avec une utilisation courante.
En rendant ce code librement disponible, ce travail ne se limite pas à produire des résultats scientifiques : il équipe durablement la communauté de chercheurs qui travaillent sur les matériaux pour la microélectronique avancée, les capteurs quantiques, ou les qubits à base de défauts dans les matériaux semiconducteurs.
© Simone Fioccola, LAAS-CNRS
Références
Accelerating convergence in orbital magnetization calculations through a single point formula and applications to defect EPR g-tensor fingerprints.
S. Fioccola, L. Giacomazzi, D. Ceresoli, N. Richard, L. Martin-Samos, and A. Hemeryck.
npj Computational Materials, 2026.
https://doi.org/10.1038/s41524-026-02164-0