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Source d’inspiration pour de nombreux scientifiques, le cerveau humain sert aujourd’hui de modèle pour explorer une nouvelle façon de traiter l’information. À Lille, la chercheuse en physique et ingénierie nanométrique Xin Zhou développe un système constitué de minuscules résonateurs fonctionnant comme un réseau artificiel de neurones. Parce qu’ils sont capables non seulement de détecter des signaux, mais aussi de les stocker et d’en apprendre, ces dispositifs miniatures intelligents ouvrent la voie à de nouvelles possibilités de calcul.

 
Réseau de résonateurs à double tambours. © Xin Zhou

Dans les ordinateurs, les fonctions de détection et de calcul sont généralement séparées. Les caméras, les microphones ou les capteurs de température collectent des informations provenant de l’environnement extérieur, comme la lumière, le mouvement, le son ou la chaleur, puis les transmettent à un microprocesseur qui les analyse et les interprète. Cependant, cette séparation a ses limites, car la transmission des informations est lente et énergivore. C’est la raison pour laquelle des chercheuses et chercheurs travaillent aujourd’hui sur des dispositifs intelligents qui intègrent la détection et le calcul dans un même système physique, sur le modèle du cerveau humain où d’immenses réseaux de neurones interconnectés fonctionnent rapidement, avec précision et de manière remarquablement économe en énergie.

Parmi ces scientifiques, Xin Zhou, membre de l’Institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN), coordonne le projet MORETOME, soutenu par l’Agence nationale de la recherche de 2022 à 2026[1] . Cette chercheuse CNRS explore des domaines avancés de la physique et de l’ingénierie, à la frontière entre le monde classique et quantique. Elle étudie des nanoobjets qui vibrent et interagissent avec les photons à micro-ondes, dans les domaines de la nanoélectromécanique. Ses travaux combinent nanofabrication, mesures à haute fréquence et modélisation théorique.

Des mini-tambours intelligents

Dans le cadre du projet MORETOME, Xin Zhou a utilisé des technologies de nanofabrication avancées pour créer de nouveaux types de résonateurs miniatures. Intégrés à un circuit électrique, ces systèmes mécaniques prennent la forme de structures à double tambour ultrasensibles et capables de vibrer à des fréquences très élevées[2].

« Les résonateurs nanoélectromécaniques (NEMS) sont conçus comme des ponts suspendus, fixés par leurs bords et qui vibrent sous l’effet d’une excitation électrique », explique la chercheuse. Le résonateur fonctionne naturellement comme un capteur, puisque son état de vibration change lorsque le tambour détecte la moindre variation dans son environnement, comme la présence d’une molécule ou un changement de température. Innovante, la conception à double tambour permet d’utiliser l’un des résonateurs pour capter ces variations environnementales et les transmettre sous forme de modifications de vibration mécanique. Le second tambour réagit ensuite au signal reçu : il peut vibrer à son tour, modifier la réponse du système ou affiner la mesure de l’événement, réalisant ainsi des fonctions de calcul[3]. « Les NEMS sont donc des dispositifs à la fois précis et intelligents, capables de détecter et de traiter les signaux simultanément », souligne Xin Zhou.

Or, la fabrication d’un résonateur à l’échelle nanométrique est extrêmement délicate. Les tambours doivent être très petits pour atteindre de hautes fréquences de résonance et proches les uns des autres pour assurer un fort couplage. Cela permet de traiter des signaux rapides avec une énergie minimale. Cependant, si l’espacement est trop réduit, les deux tambours risquent de se coller et de bloquer leurs vibrations. Grâce à l’expertise de l’IEMN, Xin Zhou est parvenue à fabriquer des tambours d’à peine 10 micromètres de diamètre, avec une force de couplage extrêmement puissante[4].

Fonctionnement en réseau

Avant de passer à des réseaux complexes de résonateurs couplés, Xin Zhou et son équipe ont d’abord validé expérimentalement une méthode de calcul non conventionnelle en utilisant un seul résonateur à double tambour[5]. Mais, tout comme un musicien isolé ne suffit pas à créer une symphonie, un résonateur unique reste limité. L’étape suivante consiste donc à en fabriquer plusieurs et à les faire dialoguer entre eux, à l’image des neurones de notre cerveau. « Pris isolément, un neurone est lent et peut se tromper, alors qu’un réseau donne un résultat à la fois plus rapide et plus fiable », explique Xin Zhou. Reliés par des signaux électromagnétiques, ces minuscules tambours vibrants s’influencent les uns les autres, comme des instruments qui se répondent. Ensemble, ils réagissent de façon collective et efficace, sans chef d’orchestre central, pour traiter les informations qui leur parviennent.

 Schéma du dispositif. © Xin Zhou

Jusqu’à présent, Xin Zhou et son équipe ont construit un réseau de quatre résonateurs à double tambour, dont il s’agit désormais de mieux contrôler les interactions. « Si les expériences ont confirmé l’efficacité de certains types de couplage, les raisons exactes de ces performances ne sont pas encore totalement comprises, et plusieurs défis techniques doivent encore être relevés pour maîtriser et perfectionner le comportement collectif de ces résonateurs couplés », reconnaît la chercheuse, qui s’appuie sur la modélisation théorique et la conception de dispositifs pour répondre à ces questions.

À chaque étape du projet, les simulations numériques et les calculs analytiques se révèlent en effet indispensables. Avant même de fabriquer les dispositifs, les simulations sont utilisées pour prédire leurs performances et réduire le risque d’erreurs de conception qui pourraient s’avérer coûteuses au moment de la fabrication. L’équipe IEMN collabore ensuite avec des théoriciens du Laboratoire ondes et matière d’Aquitaine à Bordeaux (LOMA) pour modéliser les interactions entre les tambours et étudier le comportement collectif du réseau de résonateurs. Enfin, Xin Zhou a recours à des algorithmes d’apprentissage automatique afin d’optimiser la manière dont ces neurones artificiels réagissent et communiquent entre eux.

 Exemple de résultat de calcul. © Xin Zhou

Applications futures

Xin Zhou explore également le domaine fascinant de l’ingénierie quantique afin de concevoir de nouvelles façons de manipuler les photons micro-ondes pour transmettre des informations dans les systèmes quantiques.
Outre des expériences à température ambiante, elle collabore avec l’Institut Néel à Grenoble pour réaliser des tests à des températures extrêmement basses. Refroidir le système mécanique revient à baisser le « bruit de fond » d’une radio : cela réduit le « bruit thermique », l’agitation aléatoire des particules. Dans ces états particuliers, il devient possible de développer des schémas de calcul entièrement nouveaux.

En définitive, l’objectif du projet MORETOME est de démontrer, à travers une preuve de concept, qu’un réseau de résonateurs nanomécaniques interagissant par l’intermédiaire de photons micro-ondes peut intégrer des fonctions de détection et de calcul, et fonctionner comme un système de capteurs intelligents.

En médecine, ces capteurs ultra-sensibles pourraient un jour aider les médecins à identifier un cancer en repérant des cellules suspectes et en les comparant à des cellules déjà connues. Dans l’aviation, ils pourraient servir de « systèmes d’alerte précoce », en détectant des variations inhabituelles de chaleur sur le fuselage d’un avion qui révèleraient un problème mécanique caché. Xin Zhou en est convaincue : « Une fois que nous aurons la preuve de concept, d’innombrables applications verront le jour. »

[1] Liste des partenaires du projet :
- IEMN (Institut d'électronique et de nanotechnologie) : CNRS - Université de Lille - Université Polytechnique Hauts-de-France - Centrale Lille - JUNIA (UMR 8520)
- Institut Néel : CNRS (UPR 2940)
- LOMA (Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine) : CNRS - Université de Bordeaux (UMR 5798)
[2] X. Zhou et al., Nano Lett. 2021, 21, 13, 5738-5744
[3] Alok Pokharel, et al., Nano Lett. 2022, 22, 18, 7351–7357
[4] X. Zhou et al., Nano Lett. 2021, 21, 13, 5738–5744
[5] T Farah, et al., Frontiers of Nanomechanical Systems 2025

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Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence nationale de la recherche (ANR).
Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l'appel à projet Science Avec et Pour la Société - Culture Scientifique Technique et Industrielle pour le projet MORETOME des appels à projets génériques 2022.