Modèle quantique fondamental recréé à partir de nanographes
Un pas de plus vers les technologies quantiques
Les technologies quantiques exploitent les propriétés inhabituelles des éléments les plus fondamentaux de la matière. Elles promettent des percées dans les domaines de la communication, de l'informatique, des capteurs et bien plus encore. Cependant, les états quantiques sont fragiles et leurs effets sont difficiles à appréhender, ce qui complique la recherche d'applications concrètes. Les chercheurs de l'Empa et leurs partenaires viennent de réaliser une percée : En utilisant une sorte de "Lego quantique", ils ont pu réaliser avec précision un modèle théorique bien connu de la physique quantique dans un matériau synthétique.
Avec une extrême précision : En utilisant des molécules spéciales de nanographène, les chercheurs ont pu réaliser un modèle théorique issu de la physique quantique.
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À gauche : Image de microscopie à effet tunnel à haute résolution du gobelet de Clar. A droite : Modèle structurel du gobelet de Clar (bleu : spin up, rouge : spin down).
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Une image de microscopie à effet tunnel montre la chaîne de spin composée de gobelets de Clar.
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La plus petite unité d'information dans un ordinateur est le bit : on ou off, 1 ou 0. Aujourd'hui, toute la puissance informatique mondiale repose sur la combinaison et l'interconnexion d'innombrables uns et zéros. Les ordinateurs quantiques ont leur propre version du bit : le qubit. Lui aussi possède deux états de base. La principale différence : Les effets quantiques permettent une superposition des deux états, de sorte que le qubit n'est pas soit 1, soit 0, mais les deux en même temps. Avec différentes proportions de 0 et de 1, le qubit peut théoriquement prendre un nombre infini d'états.
Cette ambiguïté devrait conférer aux ordinateurs quantiques de véritables "superpouvoirs". Au moins en théorie, les ordinateurs quantiques peuvent effectuer des calculs en quelques fractions de seconde, ce qui n'est pas le cas des meilleurs superordinateurs actuels. Cependant, l'informatique quantique n'est pas encore tout à fait au point. L'un des plus grands défis consiste à relier les qubits, car un seul (qu)bit n'est pas vraiment un ordinateur.
L'une des façons de réaliser le 0 et le 1 du qubit est d'aligner ce que l'on appelle le spin de l'électron. Le spin est une propriété fondamentale de la mécanique quantique des électrons et d'autres particules, une sorte de couple qui, en termes simples, peut pointer "vers le haut" (1) ou "vers le bas" (0). Lorsque deux spins ou plus sont liés en mécanique quantique, ils influencent leurs états respectifs : Si l'on modifie l'orientation de l'un d'entre eux, elle sera également modifiée pour tous les autres. Il s'agit donc d'un bon moyen de faire "parler" les qubits entre eux. Cependant, comme beaucoup de choses en physique quantique, ce "langage", c'est-à-dire l'interaction entre les spins, est extrêmement complexe. Bien qu'il puisse être décrit mathématiquement, les équations correspondantes peuvent difficilement être résolues exactement, même pour des chaînes relativement simples de quelques spins seulement. Ce ne sont pas exactement les meilleures conditions pour mettre la théorie en pratique...
Un modèle qui devient réalité
Les chercheurs du laboratoire nanotech@surfaces de l'Empa ont développé une méthode qui permet à de nombreux spins de "parler" entre eux de manière contrôlée - et qui permet aussi aux chercheurs de les "écouter", c'est-à-dire de comprendre leurs interactions. En collaboration avec des scientifiques du Laboratoire international ibérique de nanotechnologie et de l'Université technique de Dresde, ils ont pu créer avec précision une chaîne archétypale de spins d'électrons et mesurer ses propriétés en détail. Leurs résultats viennent d'être publiés dans la célèbre revue Nature Nanotechnology.
La théorie qui sous-tend la chaîne est familière à tous les étudiants en physique : Prenons une chaîne linéaire de spins dans laquelle chaque spin interagit fortement avec l'un de ses voisins et faiblement avec l'autre. Ce modèle d'Heisenberg unidimensionnel alternatif a été décrit il y a près de 100 ans par le physicien Werner Heisenberg, l'un des fondateurs de la mécanique quantique, qui deviendra plus tard lauréat du prix Nobel. Bien qu'il existe dans la nature des matériaux contenant de telles chaînes de spin, il n'a pas encore été possible d'incorporer délibérément ces chaînes dans un matériau. "Les matériaux réels sont toujours beaucoup plus complexes qu'un modèle théorique", explique Roman Fasel, directeur du laboratoire nanotech@surfaces de l'Empa et co-auteur de l'étude.
Un "gobelet" en carbone
Pour créer ce matériau quantique artificiel, les chercheurs de l'Empa ont utilisé de minuscules morceaux de graphène, un matériau bidimensionnel à base de carbone. La forme de ces molécules de graphène influence leurs propriétés physiques, en particulier leur spin - une sorte de brique de Lego quantique de taille nanométrique à partir de laquelle les scientifiques peuvent assembler des chaînes plus longues.
Pour leur modèle d'Heisenberg, les chercheurs ont utilisé la molécule dite du gobelet de Clar. Cette molécule spéciale de nanographène se compose de onze anneaux de carbone disposés en forme de sablier. En raison de cette forme, il y a un électron non apparié à chaque extrémité, chacun avec un spin associé. Bien que prédit par le chimiste Erich Clar dès 1972, le gobelet de Clar n'a été produit qu'en 2019 par l'équipe de Fasel au laboratoire nanotech@surfaces.
Les chercheurs ont maintenant relié les gobelets sur une surface d'or pour former des chaînes. Les deux spins à l'intérieur d'une molécule sont faiblement liés, tandis que les spins d'une molécule à l'autre sont fortement liés - une réalisation parfaite de la chaîne d'Heisenberg alternée. Les chercheurs ont pu manipuler avec précision la longueur des chaînes, activer et désactiver sélectivement les spins individuels et les faire passer d'un état à l'autre, ce qui leur a permis d'étudier en détail la physique complexe de ce nouveau matériau quantique.
De la théorie à la pratique
M. Fasel est convaincu que, tout comme la synthèse de la coupe de Clar a permis la production de chaînes de Heisenberg, cette étude ouvrira à son tour de nouvelles portes à la recherche quantique. "Nous avons montré que les modèles théoriques de la physique quantique peuvent être réalisés avec des nanographes afin de tester expérimentalement leurs prédictions", explique le chercheur. "Des nanographes avec d'autres configurations de spin peuvent être reliés pour former d'autres types de chaînes ou même des systèmes plus complexes". Les chercheurs de l'Empa montrent l'exemple : Dans une deuxième étude, qui est sur le point d'être publiée, ils ont réussi à recréer un autre type de chaîne de Heisenberg dans laquelle tous les spins sont liés de la même manière.
Pour être à la pointe de la physique quantique appliquée, les scientifiques théoriciens et expérimentateurs de différentes disciplines doivent travailler ensemble. Les chimistes de l'Université de technologie de Dresde ont fourni aux chercheurs de l'Empa les molécules de départ pour la synthèse des "gobelets de Clar". Les chercheurs de l'International Iberian Nanotechnology Laboratory au Portugal ont quant à eux apporté leur expertise théorique au projet. La théorie nécessaire pour de telles percées n'est pas (seulement) celle que l'on trouve dans les manuels de physique, souligne Fasel, mais un transfert sophistiqué entre le modèle de physique quantique et les mesures expérimentales.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Chenxiao Zhao, Gonçalo Catarina, Jin-Jiang Zhang, João C. G. Henriques, Lin Yang, Ji Ma, Xinliang Feng, Oliver Gröning, Pascal Ruffieux, Joaquín Fernández-Rossier, Roman Fasel; "Tunable topological phases in nanographene-based spin-1/2 alternating-exchange Heisenberg chains"; Nature Nanotechnology, 2024-10-28
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