Des chercheurs de l'IBS Center for Quantum Nanoscience de l'Ewha Womans University (QNS) ont montré que les atomes de dysprosium reposant sur une fine couche isolante d'oxyde de magnésium ont une stabilité magnétique au fil des jours. Dans une étude publiée dans Communication Nature ils ont prouvé que ces minuscules aimants sont extrêmement robustes contre les fluctuations du champ magnétique et de la température et ne se retourneront que lorsqu'ils sont bombardés d'électrons à haute énergie provenant d'un microscope à effet tunnel.

En utilisant ces aimants à un seul atome ultra-stables et pourtant commutables, l'équipe a montré un contrôle à l'échelle atomique du champ magnétique dans des architectures quantiques construites artificiellement. "L'accordabilité à l'échelle atomique et l'ingénierie de précision des champs magnétiques montrés dans ce travail ajoutent un nouveau paradigme pour les dispositifs de logique quantique et le calcul quantique, ", explique le Dr Aparajita Singha qui a mené la recherche en tant que post-doctorant à QNS et est maintenant chef de groupe au Max Planck Institute for Solid State Research.

Bien que le magnétisme apparaisse au niveau d'atomes isolés, aussi appelés tours non appariés, les petits amas atomiques sont généralement magnétiquement très instables sans un contrôle minutieux de leur environnement. Comprendre les propriétés magnétiques à de si petites échelles est un problème de physique fondamental, qui est devenu techniquement très important pour créer des qubits, les éléments constitutifs du calcul quantique.

Le magnétisme à de si petites échelles peut être étudié et contrôlé à l'aide de l'effet tunnel quantique à l'aide de sondes à électrodes pointues dans un microscope à effet tunnel (STM). L'empreinte de ces spins atomiques peut être mesurée à l'aide de la résonance de spin électronique (ESR) à un seul atome. L'équipe de recherche de QNS a combiné l'utilisation de ces techniques puissantes pour trouver les bonnes conditions pour obtenir l'aimant à atome unique robuste tant recherché.

"Créer les plus petits aimants ultra-stables était loin d'être un petit effort. Il fallait travailler aux limites des techniques de mesure et trouver les bonnes conditions. Sur un substrat MgO double couche, l'atome Dy est presque isolé mais ressent encore suffisamment de directivité pour maintenir une polarité définie au fil des jours, " selon le Dr Singha.

Pour pouvoir congeler des atomes isolés et mesurer leurs signaux minuscules, l'équipe a créé un environnement physique extrême, comprenant :(a) des températures des milliers de fois inférieures à la température ambiante, où les atomes cessent de dériver sur les surfaces, (b) vide plus fort que l'espace vide, afin que les atomes ne soient pas contaminés par des impuretés qui fausseraient autrement nos résultats, et (c) des surfaces cristallines ultrapropres avec presque rien au-dessus d'autre que les atomes individuels souhaités. Quant à l'outil lui-même, ils ont ramassé des atomes de Fe (fer) un par un sur la pointe STM jusqu'à atteindre un rapport signal/bruit suffisant dans l'ESR, même en l'absence de tout champ magnétique extérieur (généralement 30-50 atomes). Étant donné que les états électroniques d'un aimant ultrastable à atomes Dy (orbitales 4f) sont trop protégés pour les mesures STM, les chercheurs ont mesuré sa projection de champ magnétique sur un capteur Fe-atome plus facilement mesurable, placés à des emplacements définis sur la même surface. En utilisant la même pointe STM, ils ont également disposé des aimants à atome de Dy unique à différents emplacements du réseau du substrat cristallin autour de l'atome de Fe du capteur. Le retournement délibéré des aimants individuels de l'atome Dy a modifié le champ magnétique à l'emplacement de l'atome de Fe du capteur avec une discrétion précise, qui a ensuite été mesurée pour être stable au cours des jours en utilisant ESR.

Des aimants à un seul atome ultrastables commutables placés à des emplacements atomiquement précis fournissent une boîte à outils pour un contrôle extrêmement local mais précis des champs magnétiques. Une fois l'état magnétique défini, il est maintenu automatiquement sans aucun besoin d'aimants externes énormes et coûteux. Le Dr Singha a conclu que, "L'accordabilité à l'échelle atomique du champ magnétique est un outil de contrôle puissant pour les futurs circuits quantiques basés sur la surface."