Dans le monde des électrons en rotation et des états quantiques, un domaine passionnant qui transforme notre vie quotidienne à travers nos gadgets, les chercheurs ont fait une découverte qui promet des capacités de stockage et de traitement encore plus puissantes.
Qu’est-ce qui fait tourner un électron ?
Tout comme l’aiguille d’une boussole s’aligne sur un champ magnétique, les électrons possèdent un moment angulaire inhérent, appelé « spin ».
Au-delà de leur charge électrique, qui dicte le comportement dans les circuits électroniques, leur spin est devenu essentiel pour le stockage et le traitement des données.
Nos gadgets actuels, tels que les éléments de mémoire MRAM (mémoires magnétiques à accès aléatoire), stockent les informations via de petits aimants classiques.
Ces derniers comprennent une myriade de spins électroniques. Les MRAM, à leur tour, fonctionnent sur des courants d’électrons alignés sur le spin, qui peuvent décaler la magnétisation à un certain point d’un matériau.
Le chercheur Pietro Gambardella et son équipe à ETH Zuricha découvert que les courants polarisés en spin peuvent également régir les états quantiques des spins d’électrons simples.
Leurs conclusions, fraîchement publiées dans la revue scientifique Sciencepromettent un grand potentiel pour le contrôle des états quantiques des bits quantiques (qubits).
Décoder les spins des électrons
« Les spins des électrons ont traditionnellement été manipulés à l’aide de champs électromagnétiques tels que les ondes radiofréquences ou les micro-ondes », explique Sebastian Stepanow, scientifique principal dans le laboratoire de Gambardella.
Cette technique établie, connue sous le nom de résonance paramagnétique électronique, remonte au milieu des années 1940 et a trouvé une utilisation dans divers domaines tels que la recherche sur les matériaux, la chimie et la biophysique.
Cependant, le mécanisme exact d’induction de la résonance paramagnétique électronique dans les atomes singuliers reste flou.
Pour approfondir les processus de mécanique quantique à l’origine de ce mécanisme, les chercheurs ont préparé des molécules de pentacène (un hydrocarbure aromatique) sur un substrat d’argent.
Une fine couche isolante d’oxyde de magnésium, préalablement déposée sur le substrat, garantit que les électrons de la molécule se comportent plus ou moins comme ils le feraient dans l’espace libre.
Quelle est l’astuce quantique ?
Les chercheurs ont utilisé un microscope à effet tunnel pour mesurer le courant créé lorsque les électrons se déplaçaient mécaniquement de la pointe d’une aiguille de tungstène vers la molécule.
La physique classique s’opposerait à ce processus, mais la mécanique quantique permet aux électrons de « creuser un tunnel » à travers l’espace, générant ainsi un courant mesurable.
En appliquant une tension constante et une tension oscillante rapidement à une pointe de tungstène magnétisée, puis en mesurant le courant de tunnel résultant, l’équipe a pu observer des résonances caractéristiques dans le courant de tunnel.
La forme de ces résonances leur a permis de déduire les processus entre les électrons tunnel et ceux de la molécule.
Des connaissances essentielles acquises
Grâce à l’analyse de leurs données, Stepanow et son équipe ont tiré deux conclusions cruciales.
Tout d’abord, les spins électroniques de la molécule de pentacène réagissent au champ électromagnétique créé par la tension alternative, de manière similaire à la résonance paramagnétique électronique ordinaire.
Deuxièmement, ils ont découvert un processus supplémentaire en jeu qui influençait également les spins des électrons dans la molécule.
« Ce processus est appelé « couple de transfert de spin », explique Stepan Kovarik, doctorant. Sous l’effet d’un courant polarisé en spin, le spin de la molécule est modifié sans l’action directe d’un champ électromagnétique.
Contrôle du spin et avenir quantique
Les chercheurs de l’ETH Zurich ont démontré qu’il est possible de créer des états de superposition mécanique quantique du spin électronique moléculaire, et ces états sont utilisés dans les technologies quantiques.
« Le contrôle du spin par des courants polarisés en spin au niveau quantique ouvre la voie à de nombreuses applications potentielles », prédit Kovarik.
Contrairement aux champs électromagnétiques, les courants polarisés en spin peuvent agir localement et être dirigés avec une précision inférieure au nanomètre.
Ils pourraient être déployés pour traiter les éléments de circuits électroniques dans les dispositifs quantiques avec une précision extrême, contrôlant ainsi les états quantiques des qubits magnétiques.
Le temps nous dira comment cette avancée passionnante se traduira par des applications pratiques dans le stockage et le traitement des données. Mais d’ici là, grâce à la curiosité incessante de scientifiques comme Gambardella, Stepanow et Kovarik, notre compréhension de la danse quantique des électrons continue d’évoluer.
L’étude complète a été publiée dans la revue Science.
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2024-07-03 09:18:35
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