Des scientifiques de la FIJ PAN, en coopération avec des chercheurs de l'Université des femmes de Nara (Japon) et de l'Université Jagellonne (Pologne), ont franchi une autre étape importante vers la construction d'un ordinateur quantique fonctionnel. En utilisant un matériau contenant des ions terbium et des outils expérimentaux dédiés, ils ont effectué une analyse détaillée des propriétés magnétiques dynamiques d'aimants moléculaires individuels concernant leur orientation dans un champ magnétique. La forte anisotropie découverte de ces propriétés est vitale dans la construction de composants électroniques moléculaires.

L'un des plus grands défis auxquels la science moderne est confrontée est de construire un ordinateur quantique abordable et très efficace qui révolutionnera l'industrie informatique. Aujourd'hui, diverses solutions sont recherchées pouvant conduire à la construction d'un tel dispositif. Il s'agit notamment des systèmes supraconducteurs, points quantiques et photons dans la cavité de résonance. Des recherches intensives sont également menées sur l'utilisation d'aimants moléculaires constitués de molécules uniques de 1 nm de taille (SMM - Single Molecular Magnets). Dans ce but, cependant, les scientifiques doivent non seulement trouver des matériaux présentant les bonnes caractéristiques, mais également comprendre parfaitement le comportement des molécules magnétiques. L'une des principales directions de recherche dans ce domaine porte sur la dynamique des propriétés magnétiques. Ces soi-disant relaxations magnétiques nous indiquent comment les propriétés magnétiques d'une substance donnée changent au fil du temps. Dans le monde quantique, une telle dynamique est un phénomène abondant et compliqué, c'est pourquoi les chercheurs examinent attentivement ses divers aspects.

Jusque là, des études approfondies ont révélé la possibilité d'utiliser des aimants moléculaires pour créer des cellules mémoire ou un transistor de spin. Les scientifiques sont également capables de placer des molécules individuelles sur un substrat approprié et de les utiliser pour construire des systèmes électroniques simples. Les mesures confirment que les relaxations magnétiques jouent un rôle vital dans le fonctionnement des systèmes moléculaires. D'autre part, on sait que la dynamique des propriétés magnétiques dépend de l'anisotropie des propriétés magnétiques statiques. Cependant, dans la plupart des études précédentes, soit l'influence de l'orientation de la molécule examinée sur ses propriétés magnétiques dynamiques n'a pas été testée, ou cela n'a été fait que dans une mesure limitée.

Par conséquent, une équipe de scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences dirigée par le Dr Eng. Piotr Konieczny a décidé d'étudier comment les propriétés magnétiques dynamiques des aimants moléculaires individuels changent en fonction de l'orientation des molécules. La plupart des travaux de recherche sur la relaxation magnétique portent sur des matériaux sous forme de poudre, c'est-à-dire des cristallites à orientation chaotique, ou polycristaux, ce qui rend impossible l'analyse de l'évolution de ces propriétés avec l'orientation de la molécule. Le groupe polonais, donc, décide d'étudier un monocristal, un monocristallin, dans lequel toutes les molécules sont orientées de la même manière. Ce point de départ a permis aux scientifiques d'observer les effets se produisant dans une seule molécule. Pour faire ça, il était également nécessaire de construire un système expérimental approprié qui permettrait d'étudier la relaxation magnétique en fonction de l'orientation de la substance testée.

« Nous recherchions un matériau répondant aux exigences attendues, et en particulier est caractérisé par une forte anisotropie magnétique et peut être synthétisé sous forme de cristal de haute qualité. À la fois, nous avons développé des équipements de laboratoire pour tester la dépendance angulaire de la dynamique magnétique en utilisant la susceptibilité magnétique alternative, " explique le Dr. Eng. Konieczny. "Le cristal spécifique a été trouvé au Japon, dans le laboratoire du professeur Takashi Kajiwara de l'Université des femmes de Nara. En attendant, nous avons testé divers polymères que nous avions l'intention d'appliquer dans la construction du système de mesure. Nous avons utilisé des matériaux plastiques révélant le signal magnétique le plus faible et tolérant bien les basses températures (2,0 K) pour construire un prototype entièrement fonctionnel de l'appareil. Les mesures ont confirmé notre hypothèse :la relaxation magnétique dépend de l'orientation de la molécule, et montre donc une anisotropie. Nous avons été surpris que cette relation soit si forte. Cependant, l'analyse théorique nous fournit une explication quantitative de l'effet observé."

Les études ont été réalisées à l'aide d'un magnétomètre commercial SQUID. Pour analyser la dynamique magnétique dans la plage de 0,1 à 1000 Hz, il a fallu utiliser la méthode de susceptibilité magnétique alternative. Cette technique est couramment adoptée pour étudier la relaxation magnétique. L'innovation était l'utilisation de la configuration développée qui a permis d'analyser l'anisotropie des propriétés magnétiques dynamiques (c'est-à-dire la relaxation magnétique). Ce système dédié a été construit dans IFJ PAN pour les enquêtes décrites. Il permet au cristal de tourner à l'intérieur du magnétomètre à très basse température (2 K), champs magnétiques élevés (7 T) et dans une large gamme de fréquences du champ électromagnétique (de 0,1 Hz à 1500 Hz). L'appareil a été conçu et construit pour éliminer le signal de fond indésirable. D'où, il est possible d'étudier la dynamique magnétique des petits cristaux.

Le matériau examiné, un aimant moléculaire à ions terbium, a été synthétisé et testé structurellement par le groupe du professeur Kajiwara, tandis que la plupart des analyses théoriques et expérimentales ont été réalisées à l'IFJ PAN. Les études ont confirmé que les molécules magnétiques présentent une anisotropie des propriétés magnétiques dynamiques. Dans la molécule étudiée, qui ressemble à une hélice de bateau, le taux de relaxation magnétique est quatre fois plus élevé lors d'une rotation de 80 degrés.

Les travaux de recherche décrits permettent aux scientifiques d'apprendre comment la relaxation magnétique dans des molécules individuelles peut changer en fonction de leur orientation. Ces connaissances seront appliquées à la conception de systèmes moléculaires utilisés dans les applications spintroniques et les ordinateurs quantiques. Or on sait que l'orientation des molécules a un impact important sur le fonctionnement de tels systèmes. Les scientifiques ont également réussi à construire un dispositif expérimental qui permettrait des études plus détaillées de la dynamique magnétique des matériaux.

« Nos travaux nous aident à mieux comprendre le comportement des molécules magnétiques individuelles, " explique le Dr. Eng. Konieczny. " Maintenant, nous savons que l'orientation des molécules joue un rôle important dans l'électronique moléculaire, par exemple, un transistor moléculaire. L'orientation aléatoire des molécules provoquera un fonctionnement chaotique des systèmes électroniques ou spintroniques. L'arrangement identique des particules, cependant, assurera leur interaction fluide et un meilleur contrôle."

Les résultats obtenus par les scientifiques de l'IFJ PAN sont particulièrement importants pour les ingénieurs concevant et construisant des systèmes électroniques de nouvelle génération avec des molécules magnétiques. "Nos recherches futures continueront de se concentrer sur les propriétés magnétiques dynamiques des aimants moléculaires, " conclut le Dr. Eng. Konieczny. "Nous pensons qu'une connaissance approfondie des phénomènes se produisant dans ces matériaux nous rapprochera de la création d'un ordinateur quantique moléculaire entièrement fonctionnel."