La microscopie à effet tunnel (STM) est couramment utilisée par les physiciens et les chimistes pour capturer des images à l'échelle atomique de molécules sur des surfaces. Maintenant, une équipe internationale dirigée par Christian Joachim et ses collègues de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR a fait un pas de plus en STM :en l'utilisant pour identifier les états quantiques dans les composés « super benzène » à l'aide de mesures de conductance STM. Leurs résultats fournissent une feuille de route pour le développement de nouveaux types d'ordinateurs quantiques basés sur des informations localisées à l'intérieur des liaisons moléculaires.

Pour accéder aux états quantiques de l'hexabenzocoronène (HBC) - une molécule aromatique plate constituée de cycles benzéniques imbriqués - les chercheurs l'ont déposé sur un substrat d'or. Selon le membre de l'équipe We-Hyo Soe, la faible interaction électronique entre le HBC et l'or est cruciale pour mesurer la « conductance différentielle » du système, un taux instantané de charge de courant avec une tension qui peut être directement liée aux densités d'électrons dans certains états quantiques.

Après refroidissement à des températures proches du zéro absolu, l'équipe a manœuvré sa pointe STM vers un emplacement fixe au-dessus de la cible HBC. Puis, ils ont analysé les signaux de résonance de conductance différentielle à des tensions particulières. Après avoir détecté ces tensions, ils ont cartographié la densité électronique autour de l'ensemble du cadre HBC à l'aide de STM. Cette technique a fourni des images dans l'espace réel des orbitales moléculaires du composé, des états quantifiés qui contrôlent la liaison chimique.

Lorsque Joachim et ses collègues ont essayé de cartographier une molécule contenant deux unités HBC, un dimère, ils ont remarqué quelque chose d'étonnant. Ils ont détecté deux états quantiques à partir de mesures STM prises près du milieu du dimère, mais un seul état lorsqu'ils ont déplacé la pointe STM vers le bord du dimère (voir image). Pour comprendre pourquoi, les chercheurs ont collaboré avec des théoriciens qui ont utilisé des calculs de mécanique quantique de haut niveau pour identifier quelles orbitales moléculaires reproduisaient le mieux les cartes expérimentales.

La théorie traditionnelle suggère que les signaux de conductance différentielle STM peuvent être attribués à un seul, orbitales moléculaires uniques. Les calculs des chercheurs, cependant, montrer que ce point de vue est erroné. Au lieu, ils ont découvert que les états quantiques observés contenaient des mélanges de plusieurs orbitales moléculaires, avec le rapport exact dépendant de la position de la pointe STM ultra-pointue.

Soe note que ces découvertes pourraient avoir un impact important dans le domaine de l'informatique quantique. "Chaque résonance mesurée correspond à un état quantique du système, et peut être utilisé pour transférer des informations par le biais d'un simple changement d'énergie. Cette opération pourrait également remplir certaines fonctions logiques." Cependant, il ajoute qu'avancé, des théories à plusieurs corps seront nécessaires pour identifier la composition exacte et la nature des orbitales moléculaires en raison de l'effet de pointe dépendant de l'emplacement.