Un heureux accident en laboratoire a conduit à une découverte révolutionnaire qui a non seulement résolu un problème qui a duré plus d'un demi-siècle, mais a des implications majeures pour le développement des ordinateurs quantiques et des capteurs. Dans une étude publiée aujourd'hui dans La nature , une équipe d'ingénieurs de l'UNSW Sydney a fait ce qu'un scientifique célèbre a suggéré pour la première fois en 1961 était possible, mais a échappé à tout le monde depuis :contrôler le noyau d'un seul atome en utilisant uniquement des champs électriques.

"Cette découverte signifie que nous avons maintenant une voie pour construire des ordinateurs quantiques utilisant des spins à un seul atome sans avoir besoin d'un champ magnétique oscillant pour leur fonctionnement, " déclare Andrea Morello, professeur d'ingénierie quantique à l'UNSW Scientia. " De plus, nous pouvons utiliser ces noyaux comme des capteurs extrêmement précis de champs électriques et magnétiques, ou pour répondre à des questions fondamentales en science quantique."

Qu'un spin nucléaire peut être contrôlé avec de l'électricité, au lieu de champs magnétiques, a des conséquences de grande portée. La génération de champs magnétiques nécessite de grosses bobines et des courants élevés, alors que les lois de la physique dictent qu'il est difficile de confiner les champs magnétiques dans de très petits espaces, ils ont tendance à avoir une large zone d'influence. Champs électriques, d'autre part, peut être produit à la pointe d'une petite électrode, et ils tombent très brusquement loin de la pointe. Cela rendra le contrôle des atomes individuels placés dans des dispositifs nanoélectroniques beaucoup plus facile.

Un nouveau paradigme

Le professeur Morello dit que la découverte bouleverse le paradigme de la résonance magnétique nucléaire, une technique largement utilisée dans des domaines aussi disparates que la médecine, chimie, ou minière. "La Résonance Magnétique Nucléaire est l'une des techniques les plus répandues en physique moderne, chimie, et même la médecine ou l'exploitation minière, " dit-il. " Les médecins l'utilisent pour voir à l'intérieur du corps d'un patient en détail tandis que les sociétés minières l'utilisent pour analyser des échantillons de roche. Tout cela fonctionne extrêmement bien, mais pour certaines applications, la nécessité d'utiliser des champs magnétiques pour contrôler et détecter les noyaux peut être un inconvénient."

Le professeur Morello utilise l'analogie d'une table de billard pour expliquer la différence entre contrôler les spins nucléaires avec des champs magnétiques et électriques.

"Exécuter la résonance magnétique, c'est comme essayer de déplacer une boule particulière sur une table de billard en soulevant et en secouant toute la table, " dit-il. " Nous allons déplacer la balle prévue, mais nous déplacerons aussi tous les autres."

"La percée de la résonance électrique, c'est comme se voir remettre un vrai bâton de billard pour frapper la balle exactement où vous le voulez."

Étonnamment, Le professeur Morello ignorait totalement que son équipe avait résolu un problème de longue date en trouvant un moyen de contrôler les spins nucléaires avec des champs électriques, suggéré pour la première fois en 1961 par un pionnier de la résonance magnétique et lauréat du prix Nobel, Nicolas Bloembergen.

"J'ai travaillé sur la résonance de spin pendant 20 ans de ma vie, mais honnêtement, Je n'avais jamais entendu parler de cette idée de résonance électrique nucléaire, " dit le professeur Morello. " Nous avons " redécouvert " cet effet par accident complet - il ne m'aurait jamais été venu à l'esprit de le rechercher. L'ensemble du domaine de la résonance électrique nucléaire est quasiment en sommeil depuis plus d'un demi-siècle, après les premières tentatives de démonstration, cela s'est avéré trop difficile."

Par curiosité

Les chercheurs avaient initialement entrepris d'effectuer une résonance magnétique nucléaire sur un seul atome d'antimoine, un élément qui possède un grand spin nucléaire. L'un des principaux auteurs de l'ouvrage, Dr Serwan Asaad, explique :« Notre objectif initial était d'explorer la frontière entre le monde quantique et le monde classique, défini par le comportement chaotique du spin nucléaire. Il s'agissait d'un projet purement motivé par la curiosité, sans aucune application en tête."

"Toutefois, une fois que nous avons commencé l'expérience, nous avons réalisé que quelque chose n'allait pas. Le noyau s'est comporté très étrangement, refuser de répondre à certaines fréquences, mais montrant une forte réponse aux autres, " se souvient le Dr Vincent Mourik, également un auteur principal sur le papier.

"Cela nous a intrigués pendant un moment, jusqu'à ce que nous ayons un "moment eurêka" et que nous réalisions que nous faisions de la résonance électrique au lieu de la résonance magnétique."

Le Dr Asaad a poursuivi :"Ce qui s'est passé, c'est que nous avons fabriqué un appareil contenant un atome d'antimoine et une antenne spéciale, optimisé pour créer un champ magnétique à haute fréquence pour contrôler le noyau de l'atome. Notre expérience exige que ce champ magnétique soit assez fort, donc nous avons appliqué beaucoup de puissance à l'antenne, et nous l'avons fait exploser !"

Jeu sur

"Normalement, avec des noyaux plus petits comme le phosphore, lorsque vous faites exploser l'antenne, c'est « game over » et vous devez jeter l'appareil, " dit le Dr Mourik. " Mais avec le noyau d'antimoine, l'expérience a continué à fonctionner. Il s'avère qu'après les dégâts, l'antenne créait un champ électrique puissant au lieu d'un champ magnétique. Nous avons donc « redécouvert » la résonance électrique nucléaire. »

Après avoir démontré la capacité de contrôler le noyau avec des champs électriques, les chercheurs ont utilisé une modélisation informatique sophistiquée pour comprendre comment exactement le champ électrique influence la rotation du noyau. Cet effort a mis en évidence que la résonance électrique nucléaire est un véritable phénomène microscopique :le champ électrique déforme les liaisons atomiques autour du noyau, l'amenant à se réorienter.

"Ce résultat marquant ouvrira un trésor de découvertes et d'applications, " explique le professeur Morello. " Le système que nous avons créé est suffisamment complexe pour étudier comment le monde classique que nous vivons chaque jour émerge du domaine quantique. De plus, nous pouvons utiliser sa complexité quantique pour construire des capteurs de champs électromagnétiques avec une sensibilité considérablement améliorée. Et tout ça, dans un dispositif électronique simple réalisé en silicium, contrôlé avec de petites tensions appliquées à une électrode métallique !"