Une intelligence artificielle a passé plus de 25 heures à déplacer des molécules une par une pour fabriquer une structure aux propriétés électroniques choisies à l’avance.
L’expérience a été menée au laboratoire national d’Oak Ridge, aux États-Unis. Pour manipuler la matière à une échelle aussi petite, les chercheurs utilisent un microscope à effet tunnel. Sa pointe extrêmement fine peut être déplacée au-dessus d’une surface et servir à pousser des molécules. Cette opération demande habituellement beaucoup de temps et de précision à un opérateur humain.
Les chercheurs ont confié une grande partie de ce travail à un système automatisé. Une première intelligence artificielle repère les molécules de monoxyde de carbone déposées sur une surface de cuivre. Le logiciel détermine ensuite lesquelles doivent être déplacées et vers quels emplacements. La pointe du microscope exécute alors les mouvements nécessaires.
Le système apprend également à choisir comment pousser chaque molécule. Il ajuste notamment certains paramètres électriques et la vitesse du déplacement selon les résultats de ses tentatives précédentes. Une manipulation réussie lui apporte une récompense. Cette méthode, appelée apprentissage par renforcement, lui permet d'améliorer progressivement ses choix sans qu’un humain règle chaque mouvement.
Pour tester l'ensemble, l’équipe lui a demandé de construire une structure composée de 37 molécules disposées en nid d’abeilles. Ce motif reproduit artificiellement certaines caractéristiques du graphène, un matériau formé d’une seule couche d’atomes de carbone. La construction a demandé environ 900 opérations pendant plus de 25 heures.
Fabriquer la forme ne suffisait pas. Les chercheurs ont ensuite mesuré la manière dont les électrons s’y comportaient. Ils ont retrouvé une signature électronique caractéristique du graphène, appelée point de Dirac. Autrement dit, l’assemblage de molécules n’avait pas seulement la bonne apparence : il produisait bien le comportement électronique recherché.
L’automatisation n’est cependant pas encore totale. La pointe du microscope peut devenir instable et doit parfois être remise en état par un opérateur. Chaque déplacement prend aussi environ une minute. La technique reste donc très éloignée d’un procédé industriel capable de fabriquer rapidement des composants entiers.
L’intérêt se situe plutôt dans la possibilité de tester de nouvelles structures avec beaucoup moins d’interventions humaines. En plaçant précisément des molécules, les chercheurs peuvent modifier la façon dont les électrons circulent dans l’assemblage. Ils peuvent ainsi étudier des matériaux artificiels dont les propriétés sont définies par leur organisation à très petite échelle.
Une prochaine étape serait d'inverser entièrement la démarche. Au lieu de fournir une structure à construire, les chercheurs indiqueraient seulement la propriété électronique recherchée. Le système pourrait alors déterminer lui-même l’organisation moléculaire correspondante, puis tenter de la fabriquer avec le microscope.