Des physiciens de l'Université de Ratisbonne ont trouvé un moyen de manipuler l'état quantique d'électrons individuels à l'aide d'un microscope à résolution atomique. Les résultats de l'étude ont été publiés dans la revue Nature .

Nous et tout ce qui nous entoure sommes constitués de molécules. Les molécules sont si petites que même un grain de poussière en contient un nombre incalculable. Il est désormais couramment possible d'imager avec précision de telles molécules avec un microscope à force atomique, qui fonctionne très différemment d'un microscope optique :il est basé sur la détection de petites forces entre une pointe et la molécule étudiée.

Grâce à ce type de microscope, on peut même imager la structure interne d’une molécule. Bien que l’on puisse observer la molécule de cette façon, cela n’implique pas de connaître toutes ses différentes propriétés. Par exemple, il est déjà très difficile de déterminer de quel type d'atomes la molécule est constituée.

Heureusement, il existe d’autres outils permettant de déterminer la composition des molécules. L’un d’eux est la résonance de spin électronique, qui repose sur des principes similaires à ceux d’un scanner IRM en médecine. Cependant, en résonance de spin électronique, il faut généralement d’innombrables molécules pour obtenir un signal suffisamment grand pour être détectable. Avec cette approche, on ne peut pas accéder aux propriétés de chaque molécule, mais seulement à leur moyenne.

Des chercheurs de l'Université de Ratisbonne, dirigés par le professeur Jascha Repp de l'Institut de physique expérimentale et appliquée de l'UR, ont désormais intégré la résonance de spin électronique dans la microscopie à force atomique.

Il est important de noter que la résonance de spin électronique est détectée directement avec la pointe du microscope, de sorte que le signal provient d'une seule molécule individuelle. De cette façon, ils peuvent caractériser des molécules uniques une par une. Cela permet de déterminer de quels atomes est composée la molécule qu'ils viennent d'imager.

"Nous pourrions même distinguer des molécules qui ne diffèrent pas par le type d'atomes qui les composent, mais uniquement par leurs isotopes, c'est-à-dire par la composition des noyaux des atomes", ajoute Lisanne Sellies, première auteure de cette étude.

"Pourtant, nous sommes encore plus intrigués par une autre possibilité qu'implique la résonance de spin électronique. Cette technique peut être utilisée pour exploiter l'état quantique de spin des électrons présents dans la molécule", explique le professeur Dr. Repp.

Les ordinateurs quantiques stockent et traitent des informations codées dans un état quantique. Pour effectuer un calcul, les ordinateurs quantiques doivent manipuler un état quantique sans perdre les informations par ce qu'on appelle la décohérence. Les chercheurs de Ratisbonne ont montré qu'avec leur nouvelle technique, ils pouvaient faire fonctionner l'état quantique du spin dans une seule molécule plusieurs fois avant que l'état ne se décohére.

Puisque la technique de microscopie permet d'imager le voisinage individuel de la molécule, la technique nouvellement développée pourrait aider à comprendre comment la décohérence dans un ordinateur quantique dépend de l'environnement à l'échelle atomique et, à terme, comment l'éviter.

Plus d'informations : Lisanne Sellies, Raffael Spachtholz, Sonja Bleher, Jakob Eckrich, Philipp Scheuerer, Jascha Repp, Résonance de spin électronique d'une molécule unique au moyen de la microscopie à force atomique, Nature (2023). DOI :10.1038/s41586-023-06754-6

Informations sur le journal : Nature

Fourni par l'Université de Ratisbonne